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量子级联激光器向激光器市场渗透

被访人:量子级联激光器的发明者美国哈佛大学Federico Capasso教授
采访:欧洲知名光学杂志《Optics & Laser Europe》的技术编辑Marie Freebody
编译:光电新闻网编辑 曾聪


    量子级联激光器打开了一个重要的市场——中红外应用市场。记者Marie Freebody和科学家Federico Capasso畅谈了这种激光器的最新进展和商业化过程中所面临的难题。

 

    1994年Federico Capasso和他的同事在美国贝尔实验室发明了全球第一个量子级联激光器(QCL)。他活跃在这个领域已经有15年了,目前是哈佛大学的教授和高级研究员。

 

Federico Capasso

 

    记者:你能解释一下量子级联激光器的工作原理吗?


    Federico Capasso:量子级联激光器(下面简称QCL)和传统的半导体激光器不同,发光波长由半导体能隙来决定,QCL包含了一系列量子阱,可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。

 

    从这个角度看,QCL可以达到中红外的整个光谱范围 (3–25 µm),也覆盖了远红外的(50–300 µm)的大部分波长范围和一部分波长小于一毫米的波长。

 

    QCL和其它激光器的一个关键区别在于它的级联过程,电子从高能级跳跃到低能级,这个过程中没有损失,它还可以注入到下一个阶段进行第二次发光。这个级联过程可以让你“循环”使用这些电子,因而造就了一种伟大的激光器。

 

    记者:QCL的研究为什么这么重要?主要应用在哪里?


    Federico Capasso:QCL使得中红外应用的前景变得光明,有望在环境空气质量监测、医学诊断、国防安全的传感用途方面发挥作用。在发明QCL之前,科学界找不到一种能够在室温下运行的中红外紧凑式高功率半导体激光器(不管是连续波长型还是脉冲波长型)。


    QCL打开了两个重要的窗户——“3–5 µm”和 “8–13 µm”。在这种波长下,光线很容易穿过空气,监测污染。在医疗和过程控制领域的氧化检查、呼吸分析等方面也拥有巨大的应用潜力。

 

    在国防领域,能够检测到爆炸和有毒气体。在武器对抗方面,QCL可以使敌方的导弹热寻探测器失效。

 

    记者:目前QCL的产业化难点主要在哪里? 


    Federico Capasso:目前商业化的活动已经展开,市场上已经可以购买到QCL芯片、设备和传感器。相关公司大部分来自美国和欧洲,我们也在和日本的滨松光子公司,合作商业化QCL。在欧洲,阿尔卡特和Thales合伙建立了一家叫做“III-V Laboratories”的公司,制造和销售QCL。


    这种激光器的商业化没有什么致命的难点,因为很多技术和传统激光器技术一样。几年以前,我们的团队曾经加入安捷伦公司,研究发现可以用传统的标准薄膜生长技术(MOCVD)进行生产,目前的半导体激光器就是用这种工艺生产的。

 

    QCL的商业化轨迹应该会和传统激光器一样,开始的时候,产量低成本高,但随着产量的增加,价格会下降。

 

    记者:这种激光器最大的技术优势是什么?  


    Federico Capasso:Razeghi开发团队位于美国西北大学,我们的团队正在与美国气体传感器制造商Pranalytica合作,开发高功率高效率的QCL。这两个团队都开发出了室温下瓦级功率输出,效率超过10%的QCL。

 

    另一个优点是Jerome Faist集团的杰作,制造出了大范围波长的QCL光源。我们的目标是制造出能够与傅里叶变换红外光谱仪竞争的紧凑式激光光谱仪。

 

    目前的太赫兹QCL只能在200K以下的温度下运行,我们的终极目标是提高运行的温度。去年我们发布了第一个室温下运行的太赫兹QCL光源。我们通过不同的频率发生器产生了太赫兹“光束”。不过功率仍然比较小,未来我们希望开发出毫瓦级的光源。

 

    记者:下一阶段的关键突破会是什么?最大的障碍是什么?


    Federico Capasso:目前的挑战有开发锁模皮秒脉冲QCL、扩展光谱宽度、制造短波长(约2、3µm)高性能QCL等。还有一个难点是开发能够发射“通讯波长”的QCL,估计还要5到10年。


    理论研究表明在中红外波段实现30-35%的效率是有可能的。在太赫兹领域,未来几年将开发出在200K以上或室温下的热电制冷非线性光学QCL光源,发射功率有望达到毫瓦量级。

 

 

 

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