【摘 要】
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量子级联激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)是一种基于子带间电子跃迁的单极型半导体光电器件,其波长覆盖中远红外到太赫兹波段,在气体成分检测、医学诊断、危险品遥测、自由空间通信等方面具有重要的应用。长波红外波段包含许多气体分子的指纹吸收峰,而且位于低损耗的大气窗口内,因此发展高功率长波红外量子级联激光器研究在气体传感、自由空间通信和红外对抗等领域有
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量子级联激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)是一种基于子带间电子跃迁的单极型半导体光电器件,其波长覆盖中远红外到太赫兹波段,在气体成分检测、医学诊断、危险品遥测、自由空间通信等方面具有重要的应用。长波红外波段包含许多气体分子的指纹吸收峰,而且位于低损耗的大气窗口内,因此发展高功率长波红外量子级联激光器研究在气体传感、自由空间通信和红外对抗等领域有着重要的意义。目前的量子级联激光器在3-5μm波段范围内已经实现了瓦级连续输出,然而由于8-14μm长波器件本身固有的技术限制(如自由载流子的光学损耗增加、子带间增益降低、光限制能力减弱等),使得长波器件性能随着波长增加迅速下降。本文致力于通过器件结构设计和有源区设计来提高长波量子级联激光器的输出功率,改善器件散热效果,具体研究内容如下:(1)根据热传导傅里叶定律,采用有限元方法对长波量子级联激光器的热特性进行了系统的研究。分析了不同器件结构参数对长波器件热特性的影响,获得了散热性能最佳的器件结构结构,为改善器件的散热性能,提高长波器件输出功率提供了理论依据。(2)根据拟合所获得的最佳器件结构需要,系统开展了金属氧化物气相外延(MOCVD)二次外延半绝缘Fe:InP研究。首先对生长参数对本征InP性能的影响进行了分析,之后开展了Fe掺杂半绝缘InP生长研究,获得了具有良好绝缘特性的半绝缘InP材料。最终通过散热结构优化,并采用半绝缘InP填充的掩埋异质结结构,使得器件输出功率较传统结构提升了85%,室温最大功率从280mW提高到520mW。(3)设计制备了束缚到连续有源区结构的高功率量子级联激光器。该结构采用应变匹配的结构设计,有效降低了材料的外延难度。最终采用该结构的器件实现了~8μm波长激射,而在288K和323K温度下,腔长5mm,脊宽8μm的器件输出功率分别达到了401mW和108mW,此时阈值电流密度分别为2.03kA/cm2和2.85kA/cm2。同时电致发光谱显示,室温下器件增益谱半高宽达到了44meV,这表明器件在实现高功率输出的同时也具备优良的波长调节特性。(4)设计制备了14μmInP基高功率量子级联激光器。该结构通过采用斜跃迁束缚到束缚结构设计,实现了高效率的电子注入,而通过非共振抽取结构设计,则可以将电子迅速抽走,从而克服了长波器件粒子数反转困难的问题。通过采用该结构设计的量子级联激光器,实现了室温14μm波长激射,对于腔长为4mm,脊宽为4μm的器件,阈值电流密度仅为3.13kA/cm2。温度为293K时,器件最大单面峰值功率到了创纪录的830mW,而平均功率则高出已报到结果一个数量级,达到了75mW。同时器件也显示出极优异的温度特性,在293K-353K的温度范围内,阈值电流密度特征温度T0达到了395K。(5)根据苯系污染物检测对14μm波段可调谐红外光源的需求,在获得的高功率长波量子级联激光器基础上,搭建了长波用Littrow型外腔量子级联激光器光学系统。为长波外腔量子级联激光器设计了双层减反射膜,可有效抑制内腔模式,提高外腔量子级联激光器的调谐范围。Al2O3/ZnSe双层减反射膜在室温脉冲工作时,具有良好的减反射效果,使我们的激光器调谐范围从36cm-1(13.57-14.26μm)提高到了58cm-1(13.26~14.35μm),提高了62%,这是国内外首次制作出这一波段外腔可调谐的量子级联激光器。
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