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量子级联激光技术

量子级联激光器 (Quantum Cascade Laser, QCL) 诞生于1994年的美国,是一种新型半导体激光器。传统半导体激光器发光机制是导带和价带中的电子空穴对复合发光,而量子级联激光器的工作原理是电子在半导体材料导带的子带间跃迁和声子共振辅助隧穿从而产生光放大,其出射波长由导带的子带间的能量差所决定,和半导体材料的禁带宽度无关,因此可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。

量子级联激光器是半导体激光理论革新的产物,它极大地扩展了半导体激光器激射范围。在量子级联激光器发明之前,传统半导体激光器其发射波长主要在可见光和近红外波段,而量子级联激光器则将发光范围拓展到了中远红外以及太赫兹波段,使其在气体检测、空间通讯、红外对抗、太赫兹成像等方面得到了越来越多的应用。同时,量子级联激光器还具有高单色性、高相干性、高方向性、高亮度、长寿命等优势。

在气体检测方面,中远红外波段包含了两个重要的大气窗口:3-5μm和8-13μm波段。很多气体的特征吸收峰都在这个波段,如 NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等。

                               Overview-of-absorption-spectra-of-various-molecules-in-the-mid-IR-region.png

基于量子级联激光技术的气体检测系统相比于传统的气体检测技术,有两大优势:

1. 量子级联激光器具有很窄的光谱线宽,可以获得气体分子、原子光谱线中精细结构,因此基于量子级联激光器的气体检测系统分辨率要远高于其他光谱检测方法,而且系统中不需要分光器件,可以通过调谐量子级联激光器的波长,就可在光电探测器中直接得到其吸收光谱。

2. 量子级联激光器的光束质量好,出射光的发散角小,可以利用光的反射来设计光学长程池从而增加系统的吸收光程,进而就可以提高系统的灵敏度,这对于低浓度的气体检测十分有效。

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