閾值電流密度較低帶間躍遷和子帶間躍遷示意圖常規(guī)半導(dǎo)體激光器是雙極性器件，導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合生成光子，而量子級聯(lián)激光器是單極性器件，只靠導(dǎo)帶中子帶間電子的躍遷產(chǎn)生光子，如圖4所示，電子躍遷的始態(tài)與終態(tài)的曲線的曲率相同，這樣形成的增益譜很窄而且對稱，是量子級聯(lián)激光器能夠低閾值工作的一個原因。當(dāng)然，QCL的閾值電流密度也與有源區(qū)設(shè)計，材料生長以及器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。尺寸較小圖5量子級聯(lián)激光器實物圖量子級聯(lián)激光器的尺寸較小，如圖5所示，量子級聯(lián)激光器管芯的長度一般為3mm，隨著激光器性能提高，可以將其封裝在方盒內(nèi)，從而方便地移動和操作。量子級聯(lián)激光器的工作溫度、輸出性能和波長覆蓋范圍在過去的20年取得了迅猛發(fā)展。其中，有兩個里程碑，一個是1997年室溫工作的分布反饋量子級聯(lián)激光器（DFB-QCL）的研制成功，實現(xiàn)了波長為μm和8μm的DFB-QCL的室溫工作，其中μm的激光器300K時峰值功率為60mW；另一個是2002年實現(xiàn)了波長為μm量子級聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作，器件在292K時輸出功率為17mW，比較高連續(xù)工作溫度為321K。 QCL在高靈敏檢測方面具備天然的優(yōu)勢，可能成為呼吸氣體分析技術(shù)領(lǐng)域瓶頸的可靠解決方案。黑龍江加工QCL激光器工廠
痕量氣體檢測對于很多領(lǐng)域都有著非常重要的作用,比如大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程監(jiān)測、燃燒流場診斷、人體呼吸氣體檢測等等。而紅外光譜為分子的振動躍遷光譜,因此在檢測技術(shù)中,“紅外激光光譜法”是目前受到較多關(guān)注的主流方法之一。不同于傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、非分散紅外光譜(NDIR)這些“紅外光譜”同門,紅外激光光譜配置的不是寬帶光源,而是高單色性的紅外激光。有著更高的光譜分辨率、可以實現(xiàn)長光程檢測、不需要額外分光部件,儀器能夠進一步小型化等等優(yōu)點。按波段來分的話,紅外激光光譜法主要涉及近紅外和中紅外兩個波段。相對于近紅外,中紅外波段是氣體分子基帶吸收光譜區(qū),分子吸收線的強度比近紅外要大幾個量級。比如,CH4在3．3um處的吸收強度,是其在1．6um處的163倍,理論檢測下限可達(dá)0．9ppb/m。因此,它能夠?qū)崿F(xiàn)痕量氣體的超高靈敏探測。在一些濃度較低或?qū)`敏度要求較高的污染源排放的氣體監(jiān)測中,有很好的應(yīng)用。 黑龍江加工QCL激光器工廠在光譜學(xué)領(lǐng)域，可調(diào)諧激光器可以用于精確測量物質(zhì)的光譜特性；
TDLAS能實現(xiàn)"原位、連續(xù)、實時測量"，環(huán)境適應(yīng)力強，易于設(shè)備的小型化。因此可以掙脫實驗室的束縛，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中大展拳腳。比如大氣環(huán)境在線監(jiān)測、發(fā)動機效率檢測、汽車尾氣測量、工業(yè)過程氣體實時監(jiān)測等等。TDLAS利用半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧特性，可獲得被選定的待測氣體特征吸收峰的吸收光譜，從而對氣體定性或者定量的分析。每種氣體分子的吸收峰受其他氣體吸收干擾很小，所以也稱之為"分子的指紋峰"TDLAS技術(shù)簡單來說就是這些氣體"分子指紋"的識別系統(tǒng)，具有很強的選擇性。此外，TDLAS的檢測靈敏度也是較高的，不過檢出限能達(dá)到怎樣的量級，就和所用光源有著很大的關(guān)系。常見的污染氣體的"指紋峰"主要集中在4μm-10μm，基本是中紅外的天下，所以，作為中紅外激光光源的QCL，則可展現(xiàn)性能優(yōu)勢。再加之高輸出功率，檢出限可達(dá)到ppb，甚至ppt級別。這比傳統(tǒng)的近紅外光源所能達(dá)到的水平，整整高出了3~6個量級。
中紅外溫室氣體激光器在環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究中正發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用，隨著全球?qū)厥覛怏w減排的日益重視，市場對高效、精確的氣體檢測設(shè)備的需求也在不斷攀升。中紅外溫室氣體激光器憑借其的性能和技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為這一領(lǐng)域不可或缺的重要工具。首先，這種激光器能夠精確檢測諸如二氧化碳、甲烷等主要溫室氣體，其高靈敏度和選擇性使其在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)排放評估以及城市空氣質(zhì)量檢測等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。各國和企業(yè)逐步加強對溫室氣體排放的監(jiān)管，推動了中紅外溫室氣體激光器的廣泛應(yīng)用，比如在城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測中，這些激光器可以實時提供數(shù)據(jù)，使得相關(guān)部門能夠及時采取措施，改善空氣質(zhì)量，保護民眾的健康。其次，技術(shù)的不斷進步為中紅外溫室氣體激光器的性能提升提供了新的可能。近年來，激光技術(shù)的創(chuàng)新使得這些設(shè)備在體積、功耗和成本方面得到了改善。例如，采用新型材料和工藝，使得激光器的體積更加小巧，便于攜帶和部署，同時降低了生產(chǎn)和維護成本。這一趨勢不僅降低了使用門檻，也使得中紅外溫室氣體激光器能夠在更多的應(yīng)用場景中發(fā)揮作用，滿足市場對靈活性和便攜性的需求，甚至可以應(yīng)用于野外勘測和移動監(jiān)測等場合。 利用QCL作為光源則在很大程度上擴展了可探測波段，也在一定程度上提高了探測極限。
TDLAS技術(shù)具有高靈敏度、高光譜分辨率、快速響應(yīng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氣體的痕量探測。利用氣體吸收譜線隨溫度、氣壓等因素變化的特性，該技術(shù)可實現(xiàn)對氣體體系溫度、濃度、速度和流量等參數(shù)的測量。無干擾、低價、可小型化等是TDLAS技術(shù)的主要優(yōu)點。我們致力于發(fā)展高速（微秒級）、高靈敏（ppb級）、可攜帶式的基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的氣體測量技術(shù)方法，拓展在航空航天、石油化工和燃燒等領(lǐng)域的應(yīng)用。調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是激光氣體分析儀**常用的技術(shù)之一。其工作原理如下：激光光源：使用調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為光源，能夠在特定的窄波段范圍內(nèi)快速調(diào)諧激光波長，精確匹配待測氣體的吸收峰。氣體吸收過程：激光器發(fā)射的窄帶單色激光穿過待測氣體樣品。由于特定氣體分子在特定波長處具有吸收峰，部分激光能量被吸收，導(dǎo)致光強度減弱。探測器測量：激光通過氣體后，剩余的激光光強被探測器接收。探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，測量激光強度的衰減。信號處理與濃度計算：分析儀通過計算吸收光譜的強度和形狀，使用朗伯-比爾定律（Beer-LambertLaw）來推導(dǎo)出氣體的濃度。TDLAS技術(shù)的高分辨率和高靈敏度使其能夠準(zhǔn)確檢測低濃度的氣體。 紅外氣體傳感器是通過測量被測氣體在特定的紅外波段吸收了多少光的能量來計算濃度的。浙江甲烷QCL激光器加工
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器調(diào)制光譜技術(shù)和二氧化碳檢測技術(shù)可以測得二氧化碳?xì)怏w濃度值。黑龍江加工QCL激光器工廠
中遠(yuǎn)紅外波段包含了兩個重要的大氣窗口3-5μm和8-13μm波段，很多氣體的特征吸收峰都在這個波段，如NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等，還有一些人體疾病如糖尿病、、胸、肺、精神疾病等特征氣體的吸收譜線也處于此波段，如圖4。不同氣體的特征吸收峰基于QCL的檢測系統(tǒng)，具有體積小、檢測速度快、精確度高等特點，可以廣泛的應(yīng)用在環(huán)境檢測、痕量氣體檢測、醫(yī)療診斷等方面，基于QCL的氣體檢測系統(tǒng)是QCL重要的應(yīng)用之一，如氣體檢測系統(tǒng)如圖5。相比于傳統(tǒng)的氣體檢測技術(shù)（電化學(xué)檢測、氣相色譜分析、紅外LED），量子級聯(lián)激光器在氣體檢測的優(yōu)勢如下：1、量子級聯(lián)激光器具有很窄的光譜線寬，可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此基于量子級聯(lián)激光器的氣體檢測系統(tǒng)分辨率要遠(yuǎn)高于其他光譜檢測方法，而且系統(tǒng)中不需要分光器件，可以通過調(diào)諧QCL的波長，就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。2、QCL的光束質(zhì)量好，其出射光的發(fā)散角小，可以利用光的反射來設(shè)計光學(xué)長程池從而增加系統(tǒng)的吸收光程，進而就可以提高系統(tǒng)的靈敏度，這對于低濃度的氣體檢測十分有效。 黑龍江加工QCL激光器工廠
