在QCL发明之前,半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段,QCL则将半导体激光器的发光范围拓展到了中远红外以及太赫兹波段。QCL在气体检测、空间通讯、红外对抗、太赫兹成像等方面有着很多重要的应用。
4.1 气体检测
中远红外波段包含了两个重要的大气窗口3-5μm和8-13μm波段,很多气体的特征吸收峰都在这个波段,如 NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等,还有一些人体疾病如糖尿病、哮喘、胸、肺、精神疾病等特征气体的吸收谱线也处于此波段,如图4。
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图4. 不同气体的特征吸收峰
基于QCL的检测系统,具有体积小、检测速度快、精确度高等特点,可以广泛的应用在环境检测、痕量气体检测、医疗诊断等方面,基于QCL的气体检测系统是QCL最重要的应用之一,如气体检测系统如图5。
相比于传统的气体检测技术(电化学检测、气相色谱分析、红外LED),量子级联激光器在气体检测的优势如下:
1、量子级联激光器具有很窄的光谱线宽,可以获得气体分子、原子光谱线中精细结构,因此基于量子级联激光器的气体检测系统分辨率要远高于其他光谱检测方法,而且系统中不需要分光器件,可以通过调谐QCL的波长,就可在光电探测器中直接得到其吸收光谱。
2、QCL的光束质量好,其出射光的发散角小,可以利用光的反射来设计光学长程池从而增加系统的吸收光程,进而就可以提高系统的灵敏度,这对于低浓度的气体检测十分有效。
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图5. 基于QCL的气体检测系统[16]
4.2 红外对抗
目前红外制导导弹大部分都工作在3-5µm这个波段,因为这个波段是飞机尾喷的热辐射最强,而且还处于大气透射窗口,所以导引头的大部分都设计在这个波段。为了对抗这些红外制导的导弹,发射波长在3-5µm中红外激光器是理想的光源。QCL可以发射3-5µm的激光,且具有超小的体积,为红外对抗的理想光源,是现在军事大国研究的热点,基于QCL红外对抗系统如图6。近几年3-5µm波段的QCL已经得到突飞猛进的发展,该波段的量子级联激光器主要采用InP系材料,其在室温下连续输出功率已经达到了3W以上。
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图6. 基于QCL红外对抗系统示意图
脉动科技代理了美国Block Engineering 公司两种QCL产品,一种为Mini-QCL模块, 如图7 (A),输出波长为5.4~12.8 μm,方便客户集成到各类系统中;另一种为已经集成化的QCL-System,如图7 (B),拥有液晶显示器,非常便于操作,用户体验友好,方便操作和调谐。关于两种产品的详细性能参数,如图8。
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图7. 脉动科技代理的美国Block Engineering 公司QCL产品。
(A)Mini-QCL模块,QCL模块大小如硬币一般;控制系统能够控制4个激光模块,调谐范围为5.4~12.8 μm。
(B).QCL-System,QCL系统拥有用户友好的交互界面,方便操作和调谐;可集成4个QCL模块,调谐范围为5.4~12.8 μm。
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图8. Mini-QCL模块和QCL-System性能。
(A) Mini-QCL模块,拥有业内领先的调谐范围,单模块QCL的可调谐范围为7.5到10.5,多模块QCL则可以达到5.4到12.8μm。
(B) QCL-System,集成4个QCL模块,波长调谐范围为5.4-12.8 拥有业界领先的无间隙调谐范围。
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