在量子级联激光器 qcl中，在腔长从0.5到3mm的变化中观察到光谱发射波数的系统移位，导致增益峰移位范围从2404到2286 cm−1。因此，提供了118 cm−1的波长选择范围，该范围足够宽，可以在2326 cm−1 4.3u m处选择整个CO2吸收带的激光发射。与目前的QCL波长选择技术相比，修改空腔长度是一个简单的后处理过程。实验证实，这种频移是由于阈值电压和外加电场随腔长而变化，这与理论一致。
基于腔长的量子级联激光器波长选择
有意选择量子级联激光器QCL发射频率的能力对于精确重叠分析物振动-旋转吸收带与激光发射具有重要意义，从而为痕量气体和液体化学传感器提供固有的分子选择性和增强的灵敏度。目前选择QCL发射频率的方法包括使用外腔，在一个芯片上单片制造具有各种发射频率的单模激光器阵列，或使用低温恒温器或直流激光注入电流调节散热片温度。外腔可调谐QCLs通过改变外部衍射光栅的角度，通过频率选择性反馈产生单模发射，从而在宽光谱范围内连续调谐虽然zui近已经证明了超过250 cm−1的调谐范围，但增益光谱根本不调谐，或者以比光学调谐小得多的速率调谐，因此导致从中心发射的蓝移和红移的输出功率降低。虽然可以通过温度调谐来实现增益频谱的移位，但这并不广泛适用于室温操作的系统；因此，需要其他策略来调整增益频谱。
本研究描述了调整QCL腔长以调谐增益谱。空腔长度是一个简单的后处理选择参数，因此非常适合于方便地调整QCL增益谱和选择峰值增益波长。对于这里提出的QCL，波长选择范围足够宽，可以跨越二氧化碳的整个振动-旋转吸收特征CO2。设计的量子级联激光器的中心发射频率为2326 cm−1 4.3um。相应的频带图如图1 A所示。活跃区和注入器一个周期的层序为26/17/22/18/19/19/18/21/17/21/15/27/15/38/11/13/36/14/ 34/14/30/22，其中Al0.65In0.35As阻挡层以粗体标示，Ga0.32In0.68As井层以楷体标示，n掺杂2.11017 cm−3层以下划线标示。我们计算了该结构的传导能带能量图，作为施加电场从87到116 kV/cm的函数，得到预期的过渡频率范围从2137到2583 cm−1，如图1b所示。计算由于“对角线”跃迁设计固有的线性斯塔克效应，频率随着外加电场的增加而增加偶极矩阵元表示光跃迁的强度，在103 kV/cm指定电场附近达到Max值，与防交叉场重合。由于发射频率取决于工作阈值电压，激光阈值电压的变化可以实现增益谱的调谐。前者可以通过改变阈值电流密度来实现，而阈值电流密度又可以通过改变腔长来非常有效地改变。
图1
为了分析空腔长度的影响，使用金刚石刀和显微对照将qcl切割为0.5至3 mm的长度，增量为0.5 mm。激光脊宽为4.6 ~ 6.1 um。然后用铟将每个激光器安装在铜块上，铜块既是散热片又是电接地，然后用金线连接起来，使用频率为80khz、脉宽为100ns的脉冲发生器以脉冲模式操作qcl。对每个QCL施加偏置并独立测量，同时使用电流探头测量电流。散热器温度在80到300 K之间变化。然后使用液氮冷却的汞镉碲化探测器和傅里叶变换红外FTIR光谱仪获得光谱，光谱分辨率为0.125 cm−1，平均扫描10次。图2a描述了FTIR测量的峰值发射光谱作为波数与散热器温度的关系，范围从80到300 K，不同的腔长。发射频率从2404 cm−1降低到2286 cm−1，即降低了118 cm−1，空腔长度从0.5 mm增加到3mm。二氧化碳CO2 FTIR吸收光谱如图2A所示。显然，在不同温度下，腔长为1.5、2和3 mm的qcl与强振动旋转吸收带直接重叠。同样，可以使用不同的空腔长度来故意重叠或避免与选定的CO2特征重叠，如图2 b。结果表明，在恒定的散热器温度下，腔长度在1-2 mm范围内，跨越整个吸收光谱。因此，提供了一种方便的后处理策略，用于定制共振和非共振qcl，从而差分测量直接产生分析物浓度的定量测定。图2c描述了在散热器温度范围内发射频率与腔长之间的关系。该图中的数据进一步阐明了使用不同空腔长度范围系统地选择发射频率的能力。
图2
图2中长度为0.5、1和1.5 mm的激光器没有完全激光到室温，这是由于由镜面损耗决定的更高阈值电流密度超过了由掺杂密度决定的Max可用电流密度。为了克服这一限制，也为了在更高的工作温度下将发射频率转移到直接重叠二氧化碳吸收特征，我们用高反射HR涂层制备了图3所示的1和1.5 mm激光器。应该注意的是，HR涂层激光器改变了反射镜损失，而这些损失与该长度的标准激光器的预期不同，从而导致波长的移位。然而，在本文给出的结果中，腔长度对阈值电压的依赖性仍然很明显，这反过来又导致了发射波数的相应移位。
温度依赖性光电流-电压L-I-V测量采用100 ns电流脉冲，以3 kHz的重复率精确确定阈值电压和阈值电流密度。图3a表示阈值电压与波数之间的关系。由图可知，阈值电压和光谱发射随空腔长度的减小而增大。这些实验结果证实了图1b中提供的计算结果，表明随着外加电场的增加，光谱发射能量增加。然而，应该指出的是，使用全态（见图1a）计算qcl中的斯塔克效应通常高估了斯塔克位移，参考文献12也讨论了这一点。
图3
图3b显示了阈值电压对1,1.5和2mm腔长度在散热器温度范围从80到180 K的依赖关系。在该图中，进一步表明，较短的空腔长度具有较高的阈值电压比较长的腔长，由于其更高的阈值电流密度。图3b 插图用L-I-V图量化了这一趋势，其中测量的阈值电压为16.2和14.9 V，阈值电流密度分别为1和2 mm腔长4.17和1.39 kA/cm2。阈值电压差作为空腔长度的函数计算为1.35 V。因此，阈值电压随着空腔长度的减小而增加，从而由于电场的增加而导致更高的光谱发射频率
总之，这种廉价且简单的QCL波长选择技术利用了电场和光谱发射对腔长度的依赖，这被认为是一个简单的后处理设备参数。因此，可以简单地对相同晶圆和相同芯片进行切割以产生具有高特异性和可重复性的所需发射频率。改变腔长从0.5到3mm提供了118 cm−1的宽选择范围，这是足够宽的，以定制在4.3um下的整个CO2振动旋转吸收带的开启和关闭共振，而无需温度调谐。因此，所提出的策略对于化学传感器应用中激光发射频率的定制显得特别有用。
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