中红外宽调谐外腔量子级联激光器的研究

本课题围绕国家中长期科学和技术发展规划纲要对生态和环境变化、疾病的监测与预警技术的科技创新、重大战略和迫切科技支撑需求，研究中红外宽调谐外腔调制单模QCL光源的关键科学问题和核心技术。本课题通过对强反馈外腔调制核心技术的认知研究，结合宽增益谱有源区的创新设计、多维散热封装结构的新构思和QCL结构量子尺寸精细控制，研制宽波长调谐范围、外腔调制稳定单模工作的7-10μm QCL，为发展TDLAS痕量气体检测技术中红外半导体光源提供核心科学和技术积累。研究内容如下：具有宽增益谱的束缚态-连续态和多声子辅助共振-四阱耦合有源区设计；QCL结构剩余应变设计和GSMBE生长精确控制，材料参数与器件品质关联研究；多维散热器件封装结构的新构思结合器件腔面新工艺及其对增强外腔调制的作用，研制高性能的F-P腔QCL；设计强反馈外腔调制系统的设计和构建，利用F-P腔QCL和光栅外腔得到宽调谐稳定单模输出。

本项目很好地完成了任务书中制定的研究计划，达到预期目标，并取得了很好的研究结果。研究了作为光栅调谐外腔QCL增益介质的7.6微米F-P腔QCL材料和器件核心科学技术问题，研制出高质量F-P腔QCL；研究了光栅外腔调谐机理与技术核心科学技术问题，建立光栅调谐外腔QCL系统；研制出宽调谐的外腔量子级联激光器。发表论文13篇, 其中SCI论文5篇，国际会议5篇，国内会议5篇, 邀请报告1篇。申请国家发明专利5件，其中授权2件，受理3件。.本项目三年来研究的科学技术问题和结果小结如下：.1)利用非抛物带薛定谔方程与泊松方程的自洽求解设计了基于四阱耦合的“双声子共振隧穿”和“束缚态到连续态”有源区导带结构，计算了电子的各种散射速率，得到电子在各子带的寿命和子带间跃迁几率，考察室温电子在有源区内的泄漏、回流等效应，优化结构设计、材料和器件参数与性能，提高激光器在室温下的光增益谱。设计、生长、制备了7.6微米QCL材料与器件，获得室温脉冲QCL和225K CW QCL，用于本项目外腔QCL研究。设计、生长、制备了4.3-5.8微米波段的应变补偿QCL材料和在室温脉冲QCL器件，为今后开展中红外短波端外腔QCL提供了了F-P QCL核心器件基础。.2)研究了激光器前腔面增透膜和后腔面高反膜对QCL性能的影响，优化了FP腔QCL的器件工艺和器件结构设计，降低了激光器工作中的热损耗，优化了激光器的脊条宽度、电镀金层厚度等结构设计参数，有效的提高了激光器的散热效率和连续工作温度，获得了高性能的FP腔QCL。.3)设计并建立了外腔量子级联激光器系统，分析准直透镜和激光器前后腔面反射率对外腔量子级联激光器系统的影响，优化了外腔系统，获得了高质量的7.6微米外腔量子级联激光器单模激射光谱。