我国中远红外量子级联激光器研制获重大突破!!(zt)

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/29 21:13:12
5.1~8.2μm波段量子级联激光器材料与器件应用
撰稿/李爱珍(上海冶金研究所)?
一、量子级联激光器的发展背景?
1994年美国贝尔实验室发明的量子级联激光器(QCL)开创了具有基础性、战略性、前瞻性的半导体激光前沿领域。3~5μm中红外波段,8~14μm远红外波段是十分重要的大气窗口,工作于该波段的激光器和探测器对国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义,然而,中远红外激光器的发展却相当迟缓,其原因是无论是1962年发明的同质结激光器还是20世纪70年代发明的GaAs/A1GaAs异质结激光器或是量子阱激光器,这类常规的pn结半导体激光器的激射是依赖于半导体材料价带的空穴和导带的电子复合,以光子的形式辐射能量,实现激射,其激射波长完全由半导体材料的能隙(禁带宽度)决定,由于自然界缺少能隙适于中远红外波段的理想的半导体材料而导致中远红外波段半导体激光器发展缓慢。20世纪70年代以来,科学家力图通过建立新的半导体激光激射理论以期从根本上突破中远红外半导体激光器长期停滞的局面。1971年前苏联科学家Kazatinov和Suris提出了光助隧穿的概念,即带间子带的发光能量等于隧穿初态和终态电子能级的差异,这一概念经美国贝尔实验室科学家的发展,于1986年Capasso博士提出隧穿电子在量子阱区带内子带发光的新思想,之后1988年H.L.Liu(刘惠春)博士建议采用三阱结构实现中远红外发光。但随后人们逐步认识到由于载流子辐射寿命为纳秒(10-9)量级,远远高于光学声子的能量寿命(10-12,皮秒数量级),要实现高于光学声子能量(36meV)的带内子带粒子数反转相当困难。90年代初,贝尔实验室采用InGaAs/InA1As体系,设计了三阱结构,并将注入阱阱宽压缩至0.8~1nm,从而将注入阱能级到有源阱能级的光子跃迁寿命降至光学声子能量寿命数量级,使有源区带内子能级间的粒子数反转成为可能贝尔实验室的科学家将近20年发展起来的分子束外延技术成功地实现了单原子层尺度的量子级联结构的生长,于1994年宣布发明第一只4.3μm中红外量子级联激光器。与传统的pn结半导体激光器二极管不同,量子级联激光器是单极型激光器,它只有电子参加,通过量子阱导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量,发射光子并隧穿到下一级,一级一级传递下去,其激射波长取决于由量子限制效应决定的两个激发态之间的能量差,而与半导体材料的能隙地匀。因此,量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。目前国际上已研制出3.6~19μm中远红外量子级联激光器。8μm的分布反馈量子级联激光器已进入实用化,8.4μm脉冲QCL工作温度已高于150℃。正因为它在学科发展和应用两方面的重要意义,以及中远红外波段的敏感性,因此文献只给结果,不描述科学技术关键。?
1994~1995年间,我们对问世不久的量子级联激光器进行了系统的调研之后,进一步认识到QCL的问世开拓了极为重要和极为敏感的中远红外半导体量子光电子前沿领域,既具有丰富的物理内涵,能促进新学科、交叉学科和原子层量级材料科学和生长技术的发展,而且在国家安全,环保,新一代通信光源领域有重要的应用前景。我国当时在这一前沿学科领域尚处于全面空白,因此从1995年开始,我们在这一新开创的领域进行了艰辛的探索,并先后被中国科学院上海分院列为择优基金和被列为“九五”中国科学院基础性研究重大项目以及随后得到知识创新项目的支持,使得项目在量子级联激光理论,量子级联激光器结构设计,量子级联激光器材料生长和器件验证,量子级联激光器材料和器件表征方法和技术取得了可喜的进展,并于1999年10月进行了阶段成果鉴定。
(详文请见《创新者的报告第2集》P79)
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中远红外量子级联激光器项目通过中期评估
上海微系统所 2004年3月9日
3月2日,国家基金委信息科学部在微系统所组织召开了国家自然基金重点项目“中远红外量子级联激光器材料、器件及物理”中期检查会。检查专家组先后听取了项目负责人李爱珍研究员的总体报告以及各学术骨干的工作报告,并查看了实验现场。

专家组认为,自项目开展以来,项目组经过很有成效的研究已全面达到并明显超前完成中期计划研究目标,使我国在倍受国内外学术界关注的QCL领域中成为继美国、瑞士、奥地利之后第四个实现单模可调谐分布反馈量子级联激光器的国家。

封松林所长、齐鸣副所长以及科研开发处处长刘海涛参加了检查会。
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上文提到一个名词“大气窗口”,什么“大气窗口”呢?打个比方说,你要想穿过一幅墙,你是撞穿墙过去容易呢还是从墙上的窗口穿过去容易呢?光在大气中传播也是一样,某些波长的光在大气中传播被吸收的很厉害,能量损失很严重,但是当波长达到一定范围时,大气对光的吸收却降低到非常低的程度,光就好像找到大气这幅墙上的窗户穿过去一样,8~14μm远红外波段对于光波来说就是它的“大气窗口”;“大气窗口”从字面上理解很容易误解为大气的一种性质,其实不是,而是光在大气中传播能量损失最低的一段光波波长范围;不言而喻,研制波长范围在8~14μm远红外波段的激光器对于中华民族的激光通讯产业是何等的重要。
有“大气窗口”就有“海水窗口”,不用介绍什么叫“海水窗口”了吧!研制工作于“海水窗口”范围内的激光器的意义比工作在“大气窗口”激光器大得多;现在的潜艇常规通信手段主要是长波通信,长波通信的效率差得惊人,是以字节为计数的,什么意思呢?就是说一次通信要花一段不短的时间才能传输几句话,而且一般潜艇都只是听而不说,现代的潜艇出于隐蔽的需要,一般从出航开始到返航都是在水下度过的,不可能为了说几句话动不动就浮上来打开卫星天线罩进行通信,而只能采用长波和水下的潜艇通信。所以,具有工作于“海水窗口”之激光的通信卫星是未来的重要发展方向。这一目标一旦成为现实,绝对是人类深海通信的里程碑。下面是我国有关“海水窗口”激光器的研制进展消息:

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“复合泵浦X射线激光”研究获国家自然科学二等奖
(上海光机所)

上海光机所复合泵浦X射线激光研究,荣获2001年度国家自然科学二等奖。徐至展院士作为该项成果的主持人和主要完成人,参加了党中央、国务院2月1日在京隆重召开的国家科学技术奖励大会,上台领奖并受到了党和国家领导人的接见。
X射线波段激光的开拓,是激光研究乃至现代科学技术发展中具有重大科学意义与应用前景的前沿研究领域。该项目以发展小型化高效率短波长的X射线激光为目标,创造性地选择独具特色的类锂和类钠离子复合泵浦机制为主攻方案,近年又开拓以台式超强超短激光为驱动源的新机制。
历经十余年的实验与理论研究,该项目取得了一系列国际首创性成果。主要包括:首次实现类锂硅离子的四种新波长的X射线激光,发现类锂离子的两个新的X射线激光跃迁;首次实现类锂钾和钙离子两种新波长的X射线激光;首次利用类钠离子复合泵浦机制实现并是新波长的X射线激光,成功开拓了类钠离子复合泵浦机制;利用类锂钛离子,首次将复合泵浦类锂离子X射线激光的最短波长推进到46.8埃,已非常接近有重大应用价值的“水窗”波段;首次采用前置成像光学系统,发展了时空分辨的新方法;首次观察到复合泵浦X射线激光发射区的时空分辨特性;上述首次获得小于100埃的八种新波长的复合泵浦X射线激光,其实现的泵浦强度条件与国际上同时期用其它方案相比,远为低得多;首次观察到用氩作为工作介质的最短波长高次谐波,并发现自由电子的重要影响与谱分裂的实验现象;首次提出并实现高效率纵向泵浦瞬态激发X射线激光的新方案,率先突破驱动激光能量大于1焦耳的限制等。
该项目已在国内外重要学术刊物上发表100余篇论文,其中,SCI收录68篇,在17次重要国际学术会议上发表特邀或主题报告,包括光学和X射线激光领域权威性国际量子电子学会议、世界光学大会与国际X射线激光系列会议等。据不完全统计,该项目发表的主要论著,被国内外论著的重点引用超过240次,发表的28篇主要论文,被国外重要论著引用140次,其中,SCI引用117次。国际上多种著名学术刊物专门报道并高度评价了中国人在这个前沿领域的突出成就。美国《激光和光电子学》杂志,以“中国的X射线激光”为题,介绍并高度评价了该项目的研究成果:“中国人发现的类锂跃迁之所以引人注目,是因为它比著名的美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室采用的类氖和类镍方案或其他地方采用的类氢方案所要求的泵浦功率低得多”。5.1~8.2μm波段量子级联激光器材料与器件应用
撰稿/李爱珍(上海冶金研究所)?
一、量子级联激光器的发展背景?
1994年美国贝尔实验室发明的量子级联激光器(QCL)开创了具有基础性、战略性、前瞻性的半导体激光前沿领域。3~5μm中红外波段,8~14μm远红外波段是十分重要的大气窗口,工作于该波段的激光器和探测器对国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义,然而,中远红外激光器的发展却相当迟缓,其原因是无论是1962年发明的同质结激光器还是20世纪70年代发明的GaAs/A1GaAs异质结激光器或是量子阱激光器,这类常规的pn结半导体激光器的激射是依赖于半导体材料价带的空穴和导带的电子复合,以光子的形式辐射能量,实现激射,其激射波长完全由半导体材料的能隙(禁带宽度)决定,由于自然界缺少能隙适于中远红外波段的理想的半导体材料而导致中远红外波段半导体激光器发展缓慢。20世纪70年代以来,科学家力图通过建立新的半导体激光激射理论以期从根本上突破中远红外半导体激光器长期停滞的局面。1971年前苏联科学家Kazatinov和Suris提出了光助隧穿的概念,即带间子带的发光能量等于隧穿初态和终态电子能级的差异,这一概念经美国贝尔实验室科学家的发展,于1986年Capasso博士提出隧穿电子在量子阱区带内子带发光的新思想,之后1988年H.L.Liu(刘惠春)博士建议采用三阱结构实现中远红外发光。但随后人们逐步认识到由于载流子辐射寿命为纳秒(10-9)量级,远远高于光学声子的能量寿命(10-12,皮秒数量级),要实现高于光学声子能量(36meV)的带内子带粒子数反转相当困难。90年代初,贝尔实验室采用InGaAs/InA1As体系,设计了三阱结构,并将注入阱阱宽压缩至0.8~1nm,从而将注入阱能级到有源阱能级的光子跃迁寿命降至光学声子能量寿命数量级,使有源区带内子能级间的粒子数反转成为可能贝尔实验室的科学家将近20年发展起来的分子束外延技术成功地实现了单原子层尺度的量子级联结构的生长,于1994年宣布发明第一只4.3μm中红外量子级联激光器。与传统的pn结半导体激光器二极管不同,量子级联激光器是单极型激光器,它只有电子参加,通过量子阱导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量,发射光子并隧穿到下一级,一级一级传递下去,其激射波长取决于由量子限制效应决定的两个激发态之间的能量差,而与半导体材料的能隙地匀。因此,量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。目前国际上已研制出3.6~19μm中远红外量子级联激光器。8μm的分布反馈量子级联激光器已进入实用化,8.4μm脉冲QCL工作温度已高于150℃。正因为它在学科发展和应用两方面的重要意义,以及中远红外波段的敏感性,因此文献只给结果,不描述科学技术关键。?
1994~1995年间,我们对问世不久的量子级联激光器进行了系统的调研之后,进一步认识到QCL的问世开拓了极为重要和极为敏感的中远红外半导体量子光电子前沿领域,既具有丰富的物理内涵,能促进新学科、交叉学科和原子层量级材料科学和生长技术的发展,而且在国家安全,环保,新一代通信光源领域有重要的应用前景。我国当时在这一前沿学科领域尚处于全面空白,因此从1995年开始,我们在这一新开创的领域进行了艰辛的探索,并先后被中国科学院上海分院列为择优基金和被列为“九五”中国科学院基础性研究重大项目以及随后得到知识创新项目的支持,使得项目在量子级联激光理论,量子级联激光器结构设计,量子级联激光器材料生长和器件验证,量子级联激光器材料和器件表征方法和技术取得了可喜的进展,并于1999年10月进行了阶段成果鉴定。
(详文请见《创新者的报告第2集》P79)
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中远红外量子级联激光器项目通过中期评估
上海微系统所 2004年3月9日
3月2日,国家基金委信息科学部在微系统所组织召开了国家自然基金重点项目“中远红外量子级联激光器材料、器件及物理”中期检查会。检查专家组先后听取了项目负责人李爱珍研究员的总体报告以及各学术骨干的工作报告,并查看了实验现场。

专家组认为,自项目开展以来,项目组经过很有成效的研究已全面达到并明显超前完成中期计划研究目标,使我国在倍受国内外学术界关注的QCL领域中成为继美国、瑞士、奥地利之后第四个实现单模可调谐分布反馈量子级联激光器的国家。

封松林所长、齐鸣副所长以及科研开发处处长刘海涛参加了检查会。
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上文提到一个名词“大气窗口”,什么“大气窗口”呢?打个比方说,你要想穿过一幅墙,你是撞穿墙过去容易呢还是从墙上的窗口穿过去容易呢?光在大气中传播也是一样,某些波长的光在大气中传播被吸收的很厉害,能量损失很严重,但是当波长达到一定范围时,大气对光的吸收却降低到非常低的程度,光就好像找到大气这幅墙上的窗户穿过去一样,8~14μm远红外波段对于光波来说就是它的“大气窗口”;“大气窗口”从字面上理解很容易误解为大气的一种性质,其实不是,而是光在大气中传播能量损失最低的一段光波波长范围;不言而喻,研制波长范围在8~14μm远红外波段的激光器对于中华民族的激光通讯产业是何等的重要。
有“大气窗口”就有“海水窗口”,不用介绍什么叫“海水窗口”了吧!研制工作于“海水窗口”范围内的激光器的意义比工作在“大气窗口”激光器大得多;现在的潜艇常规通信手段主要是长波通信,长波通信的效率差得惊人,是以字节为计数的,什么意思呢?就是说一次通信要花一段不短的时间才能传输几句话,而且一般潜艇都只是听而不说,现代的潜艇出于隐蔽的需要,一般从出航开始到返航都是在水下度过的,不可能为了说几句话动不动就浮上来打开卫星天线罩进行通信,而只能采用长波和水下的潜艇通信。所以,具有工作于“海水窗口”之激光的通信卫星是未来的重要发展方向。这一目标一旦成为现实,绝对是人类深海通信的里程碑。下面是我国有关“海水窗口”激光器的研制进展消息:

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“复合泵浦X射线激光”研究获国家自然科学二等奖
(上海光机所)

上海光机所复合泵浦X射线激光研究,荣获2001年度国家自然科学二等奖。徐至展院士作为该项成果的主持人和主要完成人,参加了党中央、国务院2月1日在京隆重召开的国家科学技术奖励大会,上台领奖并受到了党和国家领导人的接见。
X射线波段激光的开拓,是激光研究乃至现代科学技术发展中具有重大科学意义与应用前景的前沿研究领域。该项目以发展小型化高效率短波长的X射线激光为目标,创造性地选择独具特色的类锂和类钠离子复合泵浦机制为主攻方案,近年又开拓以台式超强超短激光为驱动源的新机制。
历经十余年的实验与理论研究,该项目取得了一系列国际首创性成果。主要包括:首次实现类锂硅离子的四种新波长的X射线激光,发现类锂离子的两个新的X射线激光跃迁;首次实现类锂钾和钙离子两种新波长的X射线激光;首次利用类钠离子复合泵浦机制实现并是新波长的X射线激光,成功开拓了类钠离子复合泵浦机制;利用类锂钛离子,首次将复合泵浦类锂离子X射线激光的最短波长推进到46.8埃,已非常接近有重大应用价值的“水窗”波段;首次采用前置成像光学系统,发展了时空分辨的新方法;首次观察到复合泵浦X射线激光发射区的时空分辨特性;上述首次获得小于100埃的八种新波长的复合泵浦X射线激光,其实现的泵浦强度条件与国际上同时期用其它方案相比,远为低得多;首次观察到用氩作为工作介质的最短波长高次谐波,并发现自由电子的重要影响与谱分裂的实验现象;首次提出并实现高效率纵向泵浦瞬态激发X射线激光的新方案,率先突破驱动激光能量大于1焦耳的限制等。
该项目已在国内外重要学术刊物上发表100余篇论文,其中,SCI收录68篇,在17次重要国际学术会议上发表特邀或主题报告,包括光学和X射线激光领域权威性国际量子电子学会议、世界光学大会与国际X射线激光系列会议等。据不完全统计,该项目发表的主要论著,被国内外论著的重点引用超过240次,发表的28篇主要论文,被国外重要论著引用140次,其中,SCI引用117次。国际上多种著名学术刊物专门报道并高度评价了中国人在这个前沿领域的突出成就。美国《激光和光电子学》杂志,以“中国的X射线激光”为题,介绍并高度评价了该项目的研究成果:“中国人发现的类锂跃迁之所以引人注目,是因为它比著名的美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室采用的类氖和类镍方案或其他地方采用的类氢方案所要求的泵浦功率低得多”。
这些科技工作者是对社会和历史有用的人,是我们国家的栋梁
以下是引用mzhf在2004-3-21 12:05:00的发言:
这些科技工作者是对社会和历史有用的人,是我们国家的栋梁
牛啊!
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太专业了,非而等平民所能理解,不过还是要顶一下子。
顶~~~~~~~~~~~为中国人!!!!!!!!!!
好好好
以下是引用浩渺烟云在2004-3-27 11:34:00的发言:
[quote]以下是引用mzhf在2004-3-21 12:05:00的发言:
这些科技工作者是对社会和历史有用的人,是我们国家的栋梁

[/quote]顶!!!