在量子級聯(lián)激光器 qcl中甸昏，在腔長從0.5到3mm的變化中觀察到光譜發(fā)射波數(shù)的系統(tǒng)移位，導(dǎo)致增益峰移位范圍從2404到2286 cm?1徐许。因此施蜜，提供了118 cm?1的波長選擇范圍，該范圍足夠?qū)挻朴纾梢栽?326 cm?1 4.3u m處選擇整個CO2吸收帶的激光發(fā)射翻默。與目前的QCL波長選擇技術(shù)相比，修改空腔長度是一個簡單的后處理過程澄步。實(shí)驗證實(shí)冰蘑，這種頻移是由于閾值電壓和外加電場隨腔長而變化，這與理論一致村缸。
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基于腔長的量子級聯(lián)激光器波長選擇
有意選擇量子級聯(lián)激光器QCL發(fā)射頻率的能力對于精確重疊分析物振動-旋轉(zhuǎn)吸收帶與激光發(fā)射具有重要意義梯皿，從而為痕量氣體和液體化學(xué)傳感器提供固有的分子選擇性和增強(qiáng)的靈敏度。目前選擇QCL發(fā)射頻率的方法包括使用外腔县恕，在一個芯片上單片制造具有各種發(fā)射頻率的單模激光器陣列东羹，或使用低溫恒溫器或直流激光注入電流調(diào)節(jié)散熱片溫度。外腔可調(diào)諧QCLs通過改變外部衍射光柵的角度忠烛，通過頻率選擇性反饋產(chǎn)生單模發(fā)射属提，從而在寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧雖然zui近已經(jīng)證明了超過250 cm?1的調(diào)諧范圍，但增益光譜根本不調(diào)諧美尸，或者以比光學(xué)調(diào)諧小得多的速率調(diào)諧冤议，因此導(dǎo)致從中心發(fā)射的藍(lán)移和紅移的輸出功率降低。雖然可以通過溫度調(diào)諧來實(shí)現(xiàn)增益頻譜的移位师坎，但這并不廣泛適用于室溫操作的系統(tǒng)恕酸；因此，需要其他策略來調(diào)整增益頻譜胯陋。
本研究描述了調(diào)整QCL腔長以調(diào)諧增益譜蕊温。空腔長度是一個簡單的后處理選擇參數(shù)遏乔，因此非常適合于方便地調(diào)整QCL增益譜和選擇峰值增益波長义矛。對于這里提出的QCL，波長選擇范圍足夠?qū)捗巳梢钥缭蕉趸嫉恼麄€振動-旋轉(zhuǎn)吸收特征CO2凉翻。設(shè)計的量子級聯(lián)激光器的中心發(fā)射頻率為2326 cm?1 4.3um。相應(yīng)的頻帶圖如圖1 A所示鸯旁≡朊活躍區(qū)和注入器一個周期的層序為26/17/22/18/19/19/18/21/17/21/15/27/15/38/11/13/36/14/ 34/14/30/22量蕊，其中Al0.65In0.35As阻擋層以粗體標(biāo)示，Ga0.32In0.68As井層以楷體標(biāo)示艇挨，n摻雜2.11017 cm?3層以下劃線標(biāo)示残炮。我們計算了該結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)能帶能量圖，作為施加電場從87到116 kV/cm的函數(shù)缩滨，得到預(yù)期的過渡頻率范圍從2137到2583 cm?1势就，如圖1b所示。計算由于“對角線”躍遷設(shè)計固有的線性斯塔克效應(yīng)脉漏，頻率隨著外加電場的增加而增加偶極矩陣元表示光躍遷的強(qiáng)度苞冯，在103 kV/cm指定電場附近達(dá)到Max值，與防交叉場重合侧巨。由于發(fā)射頻率取決于工作閾值電壓舅锄，激光閾值電壓的變化可以實(shí)現(xiàn)增益譜的調(diào)諧。前者可以通過改變閾值電流密度來實(shí)現(xiàn)司忱，而閾值電流密度又可以通過改變腔長來非常有效地改變皇忿。
圖1
為了分析空腔長度的影響，使用金剛石刀和顯微對照將qcl切割為0.5至3 mm的長度坦仍，增量為0.5 mm稠歉。激光脊寬為4.6 ~ 6.1 um衰琐。然后用銦將每個激光器安裝在銅塊上，銅塊既是散熱片又是電接地，然后用金線連接起來执庐，使用頻率為80khz罗岖、脈寬為100ns的脈沖發(fā)生器以脈沖模式操作qcl扬蕊。對每個QCL施加偏置并獨(dú)立測量治宣，同時使用電流探頭測量電流。散熱器溫度在80到300 K之間變化汽纠。然后使用液氮冷卻的汞鎘碲化探測器和傅里葉變換紅外FTIR光譜儀獲得光譜卫键，光譜分辨率為0.125 cm?1，平均掃描10次虱朵。圖2a描述了FTIR測量的峰值發(fā)射光譜作為波數(shù)與散熱器溫度的關(guān)系莉炉，范圍從80到300 K，不同的腔長碴犬。發(fā)射頻率從2404 cm?1降低到2286 cm?1絮宁，即降低了118 cm?1，空腔長度從0.5 mm增加到3mm服协。二氧化碳CO2 FTIR吸收光譜如圖2A所示绍昂。顯然，在不同溫度下，腔長為1.5窘游、2和3 mm的qcl與強(qiáng)振動旋轉(zhuǎn)吸收帶直接重疊唠椭。同樣，可以使用不同的空腔長度來故意重疊或避免與選定的CO2特征重疊忍饰，如圖2 b贪嫂。結(jié)果表明，在恒定的散熱器溫度下艾蓝，腔長度在1-2 mm范圍內(nèi)力崇，跨越整個吸收光譜。因此赢织，提供了一種方便的后處理策略亮靴，用于定制共振和非共振qcl，從而差分測量直接產(chǎn)生分析物濃度的定量測定于置。圖2c描述了在散熱器溫度范圍內(nèi)發(fā)射頻率與腔長之間的關(guān)系茧吊。該圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步闡明了使用不同空腔長度范圍系統(tǒng)地選擇發(fā)射頻率的能力。
圖2
圖2中長度為0.5八毯、1和1.5 mm的激光器沒有完全激光到室溫饱狂，這是由于由鏡面損耗決定的更高閾值電流密度超過了由摻雜密度決定的Max可用電流密度。為了克服這一限制宪彩，也為了在更高的工作溫度下將發(fā)射頻率轉(zhuǎn)移到直接重疊二氧化碳吸收特征，我們用高反射HR涂層制備了圖3所示的1和1.5 mm激光器讲婚。應(yīng)該注意的是尿孔，HR涂層激光器改變了反射鏡損失，而這些損失與該長度的標(biāo)準(zhǔn)激光器的預(yù)期不同筹麸，從而導(dǎo)致波長的移位活合。然而，在本文給出的結(jié)果中物赶，腔長度對閾值電壓的依賴性仍然很明顯白指，這反過來又導(dǎo)致了發(fā)射波數(shù)的相應(yīng)移位。
溫度依賴性光電流-電壓L-I-V測量采用100 ns電流脈沖酵紫，以3 kHz的重復(fù)率精確確定閾值電壓和閾值電流密度告嘲。圖3a表示閾值電壓與波數(shù)之間的關(guān)系。由圖可知奖地，閾值電壓和光譜發(fā)射隨空腔長度的減小而增大橄唬。這些實(shí)驗結(jié)果證實(shí)了圖1b中提供的計算結(jié)果，表明隨著外加電場的增加参歹，光譜發(fā)射能量增加仰楚。然而，應(yīng)該指出的是，使用全態(tài)（見圖1a）計算qcl中的斯塔克效應(yīng)通常高估了斯塔克位移僧界，參考文獻(xiàn)12也討論了這一點(diǎn)侨嘀。
圖3
圖3b顯示了閾值電壓對1,1.5和2mm腔長度在散熱器溫度范圍從80到180 K的依賴關(guān)系。在該圖中捂襟，進(jìn)一步表明咬腕，較短的空腔長度具有較高的閾值電壓比較長的腔長，由于其更高的閾值電流密度笆豁。圖3b 插圖用L-I-V圖量化了這一趨勢郎汪，其中測量的閾值電壓為16.2和14.9 V，閾值電流密度分別為1和2 mm腔長4.17和1.39 kA/cm2闯狱。閾值電壓差作為空腔長度的函數(shù)計算為1.35 V煞赢。因此，閾值電壓隨著空腔長度的減小而增加哄孤，從而由于電場的增加而導(dǎo)致更高的光譜發(fā)射頻率
總之照筑，這種廉價且簡單的QCL波長選擇技術(shù)利用了電場和光譜發(fā)射對腔長度的依賴，這被認(rèn)為是一個簡單的后處理設(shè)備參數(shù)瘦陈。因此凝危，可以簡單地對相同晶圓和相同芯片進(jìn)行切割以產(chǎn)生具有高特異性和可重復(fù)性的所需發(fā)射頻率。改變腔長從0.5到3mm提供了118 cm?1的寬選擇范圍晨逝，這是足夠?qū)挼亩昴远ㄖ圃?.3um下的整個CO2振動旋轉(zhuǎn)吸收帶的開啟和關(guān)閉共振，而無需溫度調(diào)諧捉貌。因此支鸡，所提出的策略對于化學(xué)傳感器應(yīng)用中激光發(fā)射頻率的定制顯得特別有用。
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