单片宽波长可调谐中红外激光源制造技术

单片可调谐中红外激光器具有3-14μm的范围内的波长范围，并且包括异构量子级联有源区域、连同至少第一集成光栅。异构量子级联有源区域包括至少一个叠层，该叠层包括两个级，可取地，至少三个不同的级。还公开了操作和校准激光器的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请要求2012年11月30日提交的、序号为61/731，831的美国临时申请的优 先权，该临时申请的内容是本文的基础，并且全部通过引用并入本文。
本说明书总地涉及基于半导体的激光器，更具体地讲，涉及中红外区域中的分布 式布拉格（Bragg)反射器（DBR)激光器，所述DBR激光器具有包括异构级联级的有源芯层， 提供宽带放大与基于集成光栅的调谐能力，提供连续的可用波长，所述连续的可用波长可 取地在大波长范围上（例如，多达中心波长的20、30、40或50% )。还公开了制作这样的器 件的方法。
技术介绍
中红外区域中的来自化学键的振动的强吸收线可以用于识别重要的分子。中 红外波长可调谐源，比如分布式反馈（DFB)量子级联激光器（QCLs)或波长可调谐外腔 (EC)QCLs，可以用于扫描吸收线周围的波长。DFB QCL常用于检测选定的窄吸收峰，诸 如特定的小分子的主吸收峰，例如，在图1的曲线图中在y轴线强度（cm ^/(molecule cm2)上示出的、水平轴上的2350cm1的波数（4. 2-4.3μπι)附近的CO 2的吸收峰。现 存的EC-QCLs通常具有大约100、甚至直到500cm 1的明显大很多的波长调谐范围，并 且可以用于检测大分子的更宽的特征吸收曲线。以前提出的一个例子是如图2的曲线 图中所示的葡萄糖的950-1200CII1 1的吸收曲线的检测（参见，例如，M. Brandstetter、 A. Genner、Κ· Anic 和 Β· Lendl, ''Tunable external cavity quantum cascade laser for the simultaneous determination of glucose and lactate in aqueous phase，〃The Royal Society of Chemistry，2010)，迹线从顶部迹线向下分别示出关于300、200和 lOOmg/dl葡萄糖浓度的、作为波数的函数的吸光度。另一个受关注的例子是常见的爆炸 性材料的中红外吸收曲线特性的检测。使用外腔QCL，Fuchs等人证实了在长达25m的距 离处以灵敏度20 μ g/cm2检测爆炸物（比如PETN、TNT、RDX和SEMTEX)的量的能力。（参 见 F. Fuchs、S. Huggera、M. Kinzera、Q. K. Yanga、[ Bronnera、R. Aidama、K. Degreifb、 S. Rademacherb、F. Schnilrerc 和 W. Schweikertc, ''Standoff detection of explosives with broad band tunable external cavity quantum cascade lasers,^Proc. of SPIE vol. 8268, 82681N-1_9, 20l2。）图 3 的曲线图示出了关于 PETN(l02)、RDX(104)、TATP(l06) 和TNT(IOS)的、作为以微米为单位的波长的函数的吸光度，连同用于检测这些物质和其他 物质的感兴趣的波长范围R的一个例子。 EC QCLs通常提供宽调谐范围，但是比DFB QCLs更大，制造和维护比DFB QCLs更 昂贵，并且在微秒范围内的典型的调谐时间调谐到给定频率相对较慢。DFB QCLs通常较 小，制造和维护比较便宜，并且通常使得可以在微秒范围内的调谐时间发射通常在非常窄 的范围内的、可以非常快速地调谐的、稳定的窄波长。然而，可容易制造的、可宽范围调谐的 QCLs (诸如具有超结构光栅的DBR激光器）的实现一直缺乏，阻碍了它们在感测较大分子 (诸如具有像以上在图2和图3中所描绘的吸收曲线一样的吸收曲线的那些分子）中的经 济应用。如果低成本、相对高效、快速调谐和其他有益性质的超结构光栅DBR QCLs激光器 可以在宽波长范围上容易地实际利用，则在各种领域中都将是有利的。
技术实现思路
公开了具有3-14 μπι的范围内的波长范围的单片可调谐中红外激光器，该单片可 调谐中红外激光器包括异构量子级联有源区域、连同至少第一集成光栅。异构量子级联有 源区域包括至少一个叠层，该叠层包括至少两个级，可取地，三个或更多个级。可取地，第一 集成光栅的布拉格波长是可调谐的，在一个替代实施例中，通过微加热器调谐。也可以利用 电流注入。所述激光器可取地还包括可以独立于第一光栅进行调谐的第二可调谐集成光 栅，第一光栅和第二光栅可取地是具有各自的不同的第一梳状间隔和第二梳状间隔的梳状 光栅。可取地，第一集成光栅和第二集成光栅均可以在至少等于各自的第一梳状间隔和第 二梳状间隔中的较大间隔的整个范围上独立地进行调谐。 所述光栅可以包括采样光栅，可取地，包括交织采样光栅或者其他的通过模拟或 其他处理优化的甚至更复杂的超结构光栅。 对于本领域的技术人员，这些特征和优点以及其他特征和优点从说明书和附图将 是清楚的。【附图说明】 图I. 2350cm 1附近的CO 2的吸收光谱； 图2.葡萄糖的吸收光谱； 图3.几个常见爆炸物的吸收光谱； 图4.包括中红外QCL的实施例，该中红外QCL具有由异构级联级构成的有源芯 层，以及具有基于集成光栅的调谐能力、功率和波长监视； 图5.图4的实施例的波长鉴别器的反射或透射滤光器的可取的滤光函数； 图6.具有四个不同叠层设计的异构级联叠层的示例放大自发光谱，这四个不同 叠层设计具有四个不同的波长峰值/中心波长； 图7.采用了长波长宽增益芯片的光栅调谐的外腔激光器的示例性脉冲激光发射 波长相关的峰值功率，该长波长宽增益芯片由具有两个不同叠层设计的异构级联叠层构 成，这两个不同叠层设计具有两个不同的波长峰值/中心波长； 图8.在该图的顶部，由七个交织采样光栅构成的超结构光栅（SSG)的结构的一部 分的表示，连同该光栅的计算的反射光谱，该反射光谱具有14cm 1的梳状间隔； 图9A和9B.使用梳状型光栅反射器的基于Vernier的调谐的图示； 图IOA和10B.通过直接注入获得的时间分辨的调谐效果结果，图IOA中示出电流 接通事件，图IOB中示出电流切断事件； 图IlA和11B.通过微加热器获得的时间分辨的调谐效果结果，图IlA中示出电流 接通事件，图IlB中示出电流切断事件； 图12.从与图4的器件类似的器件，通过分别系统地和单个地按IOmA增量将注入 前光栅和后光栅中的DC电流从O变为140mA，而获取的225(15X 15)扫描的光谱。【具体实施方式】 通过参照以下详细描述、附图、示例和权利要求书以及它们的前面的和后面的描 述，可以更容易地理解本专利技术。然而，在公开和描述所提出的合成物、物品、器件和方法之 前，要理解本专利技术不限于所公开的特定的合成物、物品、器件和方法，除非另有规定，因为这 些当然可以改变。还要理解，本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定方面的目的，而非意 图限制。 以下对于本专利技术的描述是作为本专利技术在其当前已知的实施例中的使能教导而提 供的。为此，相关领域的技术人员将认识和意识到，可以对本文中所描述的本专利技术的各方面 做本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有3‑14μm的范围内的波长的单片可调谐中红外激光器，所述单片可调谐中红外激光器包括异构量子级联有源区域、连同至少第一集成分布式反馈光栅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·G·卡诺，小劳伦斯·C·休斯，F·谢，C·E·扎赫，
申请(专利权)人：统雷量子电子有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US