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李森森, 王毕艺, 周冠军, 刘强虎, 毕祥丽, 吴凡, 王津楠, 李玉, 杨瑞瑶, 王巾, 许宏, 张景胜, 赵万利, 蔡军, 吴卓昆, 闫秀生. 高功率中红外量子级联激光器模块[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20201027.
引用本文: 李森森, 王毕艺, 周冠军, 刘强虎, 毕祥丽, 吴凡, 王津楠, 李玉, 杨瑞瑶, 王巾, 许宏, 张景胜, 赵万利, 蔡军, 吴卓昆, 闫秀生. 高功率中红外量子级联激光器模块[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20201027.

高功率中红外量子级联激光器模块

图(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-02
  • 修回日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2020-09-22
  • 刊出日期:  2020-08-28

高功率中红外量子级联激光器模块

English Abstract

  • 量子级联激光器(QCL)是一类新型半导体激光器,利用量子级联激光器产生中红外波段(3~5 μm)激光是目前的研究热点。尤其是随着中红外激光在定向红外对抗系统、自由空间光通信和痕量气体传感等领域的应用,QCL更加受到人们重视。QCL在中红外波段的辐射是独特的优势,具有体积小、质量轻、可直接电调制、电光效率高等特点。基于最先进的量子阱外延层生长技术,采用磷化铟为基底、高可靠性脊波导结构,采用法布里-珀罗腔型的量子级联激光器能够输出单管功率1 W量级的的中红外波段激光。目前,如何提高QCL输出激光功率及其应用是研究热点,也是QCL未来的发展趋势。

    1994年,第一支QCL诞生于美国。随后十多年,在基础科学研究方面取得了诸多进展,包括室温工作、连续工作、波长设计、功率提高等方面。在高功率QCL产品研制方面,美国Daylight公司在2008~2011年之间,交付15种QCL机载产品样机,单管功率2 W,合束模块功率达10 W。我国中红外波段QCL在基础研究水平上与国际水平相当,中国科学院半导体研究所和中国科学院上海微系统研究所等单位做了大量的研究工作,1998年,国内第一个QCL诞生。目前,已实现实验室内1 W量级中红外激光。

    笔者所在实验室自2017年开展了QCL多路合束关键技术和应用方面的研究工作。在高功率QCL合束技术、高效QCL系统热管理技术、高光束质量QCL控制技术、QCL特种驱动电源等方面进行了技术攻关。最近,通过8路功率0.5 W的单管QCL合束,实现了3.6 W中红外激光输出。激光系统合束总体采用4路几何拼束,实现2×2阵列输出。2组阵列通过偏振合束的方式实现共孔径输出,最终输出激光为2×2阵列。各子束激光经过非球面透镜准直整形后,输出激光模式达到近单模,M2因子优于1.3。合束激光输出近场空间上是4个光斑,如图(a)所示。各子束激光精确调试实现平行输出,远场指向重合,其输出激光远场光斑如图(b)所示。合束激光输出光束口径10 mm,远场发散角5 mrad。同时,在控制合束模块不超过1 kg的前提下,提高了整体输出激光功率,实现了3.6 W激光输出,模块合束效率为90%。此功率水平代表了当前国内公开报道的量子级联激光系统的最高输出功率。这将为高功率中红外量子级联激光器的应用提供思路。

    图    3.6 W多管合束量子级联激光器输出激光光斑

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