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簡述量子級聯(lián)激光器的技術(shù)原理
更新時間:2022-04-22   點擊次數(shù):1649次
  量子級聯(lián)激光器是單極器件,利用子帶躍遷,實現(xiàn)中紅外激光的激發(fā),主要提供可覆蓋中紅外波段從4~14um范圍以及常用的THz波段(如有特殊波段均可定制),主要應用于氣體檢測、醫(yī)學、紅外對抗等領(lǐng)域,是一種半導體光源。
  量子級聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導體激光器截然不同,其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應引起的分離電子態(tài),在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。
 

 

  激光的產(chǎn)生來源于電子從子帶的高能級向低能級的躍遷,一個電子可以產(chǎn)生N個光子,激射波長是由子帶的高能級和低能級差決定的,可以通過改變有源區(qū)量子阱的寬度,從而改變子帶的高能級和低能級差,然后改變激射波長,理論預測可覆蓋幾微米到幾百微米以上很寬的波長范圍。
  在外場作用下,有源區(qū)三個量子阱組成三個能級n1,n2,n3。n3和n2能級為電子受激躍遷的上激發(fā)態(tài)能級和下激發(fā)態(tài)能級,通過對各阱的寬度和間隔進行調(diào)整,使n3和n2能級的能量差對應于所需激光器的激射波長,并使n2和n1能級的能量差E2-E1為一個光學聲子的能量;設(shè)計注入?yún)^(qū)中各阱的寬度和間隔,使在外場作用下注入?yún)^(qū)形成微帶和微帶隙,使微帶與同一周期有源區(qū)中的n2和n1能級對齊并與下一個周期有源區(qū)的n3能級對齊,使微帶隙與同一周期有源區(qū)n3能級對齊。在有源區(qū)n3能級上的電子受激躍遷到n2能級并發(fā)射光子,n2能級上的電子釋放一個光學聲子,通過共振輸運快速弛豫到n1能級,在聲子輔助下隧穿經(jīng)過注入?yún)^(qū)的微帶注入到下一個周期有源區(qū)的上激發(fā)態(tài)。重復上一周期的輸運物理過程,一級一級傳遞下去,通過級聯(lián)過程實現(xiàn)一個電子可發(fā)射和級數(shù)N相等的N個光子。
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