双波长输出中红外量子级联激光器

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日前，美国Princeton大学和英国Sheffield大学的研究人员合作开发出双波长输出的中红外量子级联（QC）激光器，该项研究的负责人为Princeton大学电子工程系中红外技术在健康和环境领域应用中心（MIRTHE）的主任Claire Gmachl教授。该QC激光器采用不同于传统QC激光器的运行机制和运行温度，为QC激光器在医疗诊断和环境遥感领域的应用开辟了新的道路。 Princeton大学电子工程系研究生Kale Franz表示：“这项研究表明，我们需要重新审视以往对QC激光器的认识，对QC激光器的载流子动力学行为进行更加深入的研究，这样做将有望在今后进一步改进QC激光器的性能。Gmachl Princeton表示：“改进QC激光器的性能可以提高光谱激光系统的特性，实现更加灵活、成本更低的应用。” Kale Franz和他的同事Stefan Menzel仔细研究了一些最初难以解释的数据，这些数据表明存在第二个激光波长，并且其性能与温度有关。随之，他们发明了高K-空间（K代表波数，即电子动量）激光器。 激光产生的机制源于粒子数反转，在这个过程中电子先被泵浦到较高的能级，随后电子从高能级跃迁到低能级，同时辐射光子。在单个能带内，电子通常位于K-空间最低值，即零附近。光跃迁通过这些低K值电子产生。在QC激光器中，利用K值为零的空间非局域能态准平衡电子，粒子数反转可以实现最大化。 研究人员设计了一种独特的QC激光器结构，利用电子从能态５跃迁到能态４（5→4）实现第一个波长（见图）。传统的QC激光器电子从能态3跃迁到能态2（3→2）。5→4跃迁产生激光振荡的同时，4→2跃迁也产生激光振荡，因此可以实现双波长输出的QC激光器。5→4跃迁对应波长为9.5