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简述量子级联激光器的技术原理
发布时间:2022-04-22   点击次数:120次
  量子级联激光器是单极器件,利用子带跃迁,实现中红外激光的激发,主要提供可覆盖中红外波段从4~14um范围以及常用的THz波段(如有特殊波段均可定制),主要应用于气体检测、医学、红外对抗等领域,是一种半导体光源。
  量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同,其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态,在这些激发态之间产生粒子数反转,该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成(通常大于500层)而实现单电子注入的多光子输出。
 

 

  激光的产生来源于电子从子带的高能级向低能级的跃迁,一个电子可以产生N个光子,激射波长是由子带的高能级和低能级差决定的,可以通过改变有源区量子阱的宽度,从而改变子带的高能级和低能级差,然后改变激射波长,理论预测可覆盖几微米到几百微米以上很宽的波长范围。
  在外场作用下,有源区三个量子阱组成三个能级n1,n2,n3。n3和n2能级为电子受激跃迁的上激发态能级和下激发态能级,通过对各阱的宽度和间隔进行调整,使n3和n2能级的能量差对应于所需激光器的激射波长,并使n2和n1能级的能量差E2-E1为一个光学声子的能量;设计注入区中各阱的宽度和间隔,使在外场作用下注入区形成微带和微带隙,使微带与同一周期有源区中的n2和n1能级对齐并与下一个周期有源区的n3能级对齐,使微带隙与同一周期有源区n3能级对齐。在有源区n3能级上的电子受激跃迁到n2能级并发射光子,n2能级上的电子释放一个光学声子,通过共振输运快速弛豫到n1能级,在声子辅助下隧穿经过注入区的微带注入到下一个周期有源区的上激发态。重复上一周期的输运物理过程,一级一级传递下去,通过级联过程实现一个电子可发射和级数N相等的N个光子。
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