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应用于痕量气体检测的量子级联激光器研究

谭松  
【摘要】:痕量气体检测的诸多应用场景中需要检测的大多数气体的基频吸收带位于中远红外波段,波长覆盖范围为2.6-24μm的量子级联激光器(QCL)是痕量气体检测的理想光源。QCL在其输出特性的单项指标方面已经取得了很多突破,但在环境监控、医学应用等诸多痕量气体检测的应用场景中,对QCL的性能要求是综合性的,要求激光器能够单纵模、宽调谐、高功率、低阈值、高光束质量的工作。为此,本文从一维光栅、外腔调谐、采样光栅、锥形波导四个方面对QCL的输出性能进行调控,研制出高性能的单纵模器件,以满足痕量气体检测的应用需求。主要研究成果总结如下: (1)采用量子级联激光器进行了痕量气体检测。运用等效RLC振荡电路和有限元方法对实验室自主搭建的基于光声效应的痕量气体检测装置进行了模拟,并使用单纵模工作在波长7.6m和4.6m附近的QCL进行了甲烷气体检测和一氧化碳气体检测,得到了189nmol mol1和70nmol mol1的探测极限。 (2)设计并实现了目标波长工作的量子级联激光器。为了使室温工作的QCL的激射波长适合于一氧化碳(CO)气体检测,采用一维光栅分布反馈的方法,实现了器件室温脉冲工作时激射波长能够对准CO较强吸收线2161.97cm-1。 (3)成功研制了波长4.7m、7.5m和8.3m的光栅外腔宽调谐量子级联激光器。制备出室温连续工作阈值电流密度低的4.7m外腔QCL,器件脉冲(连续)工作时的调谐宽度为131cm-1(116cm-1),20oC时连续工作的阈值电流密度为0.901KA/cm2,激射光谱的边模抑制比达到30dB。 (4)成功制备出宽波长覆盖范围的采样光栅量子级联激光器。使用转移矩阵方法对采样光栅进行模拟计算,并利用普通光刻与全息光刻的方法制备了不同周期的掩埋采样光栅,得到了宽波长覆盖范围的采样光栅QCL组。器件室温脉冲工作时的工作波长从4.87μm变化到4.63μm,覆盖波长238nm。 (5)制备出锥形采样光栅量子级联激光器。器件可以实现单横模、单纵模工作。器件脉冲工作的最大功率为1134mW,远场发散角为13.6度,工作电流700mA时光束质量因子为1.27。并实现了单纵模工作的锥形QCL的室温连续工作,激射波长从4.89μm变化到4.65μm,注入电流800mA时器件的连续输出功率为204mW。


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