红外色谱光源

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近日，国际半导体产业杂志Semiconductor Today 报道了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸课题组与中国科学院半导体研究所刘峰奇、王占国实验室合作研制中红外宽谱光源阵列的最新成果。该成果发表在Optics Letters上。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "中红外宽谱光源基于半导体量子级联材料，光源的有源层由30个重复的级联周期组成，各周期之间通过低掺杂的n型InGaAs分隔开。研究人员所设计的有源区能带结构如图1所示，它采用了双声子共振结构，一个周期的有源区包含四个耦合的应变补偿In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。这种结构通过两次光学声子辅助弛豫来实现更高效的低能级载流子抽运，从而增大粒子数反转，提高自发辐射效率。使用这种材料结构的宽谱光源具有阈值电流密度更低、输出功率更高等优势。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "为了获得抑制激射实现超辐射发光所需要的低反射率（小于10-6），中红外宽谱光源器件尺寸一般比较大，因此很难制备成集成的器件阵列结构。研究人员所设计的宽谱光源器件波导结构如图2所示，这是一种双沟道脊型分段波导器件结构，由直条端、倾斜条形区、J型波导三部分组成。这种波导结构通过两次反射率的突变，利用比较小的器件尺寸就满足了低反射率的要求。基于这一结构，研究人员制备了一系列宽谱光源阵列，得到了室温连续输出功率2.4mW，谱宽199cm-1，远场发散角20° 。中红外光源在大气通信、空间遥感、化学检测、医疗诊断等领域有着重要应用。该工作得到国家重点研发计划和自然科学基金的资助支持。/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/360d2fb2-5a36-4f02-8777-818e5c049a43.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "图1：基于四阱耦合双声子共振的量子级联能带结构 /pp style="text-indent: 2em text-align: left " /pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/cd213e91-46f1-4f16-8a43-f6aaf101ee36.jpg" title="2.png" alt="2.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: left "图2：中红外量子级联宽谱光源器件阵列示意图。左上：显微图像。右上：SEM图像。 /p

波长调谐范围覆盖6-20μm的高重复频率（10 MHz）、高平均功率（10 mW）飞秒激光源具有重要的应用，由于大量分子在这个波段具有振动跃迁，因此有望用于痕量气体检测以及对由气体、液体或固体组成的复合系统进行与物理、化学或生物学相关的非侵入性诊断。但由于增益介质的缺乏，这些中红外源通常利用高功率近红外飞秒激光器驱动光学差频产生（DFG）来实现：近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲，另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲，泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。利用传统非线性光学手段产生的信号光脉冲能量较低，限制了中红外光源的功率，导致长波中红外飞秒光源无法广泛应用。针对该难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在长期开展基于超快激光脉冲产生及波长转换的基础上，利用自相位调制的光谱旁瓣滤波（SPM-enabled spectral selection，SESS）技术，基于高功率掺铒光纤激光器在高非线性光纤中得到了波长范围覆盖1.6-1.94μm、功率高达300mW（~10nJ）的信号脉冲，再与1.55μm的泵浦脉冲在GaSe晶体中差频得到了波长覆盖7.7-17.3μm的中红外激光脉冲，最大平均功率可达58.3mW。图1. 实验装置图实验装置如图1所示，前端为自制的高功率掺铒光纤激光器系统，重复频率为32MHz，经过啁啾脉冲放大后得到平均功率为4W、脉冲能量为125nJ、宽度为 290fs的脉冲。将激光脉冲分成两份，一份作为泵浦脉冲，另一份耦合到SESS光纤中进行光谱展宽。光纤输出处的展宽光谱由二向色镜分离，长通滤波器（图中的LPF1）将最右边的光谱旁瓣过滤出来作为信号脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线与信号脉冲在时间上重合后聚焦到GaSe晶体上，光斑大小约为50μm。再通过另一个截止波长为4.5μm的长通滤波器，生成的中红外光束经焦距为75mm的90°离轴抛物面镜准直。利用校准的热敏功率计测量中红外脉冲的平均功率，傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪来测量输出光谱。图2（a）为1mm-GaSe后输出光谱和功率，光谱范围为7.7-17.3μm，最大平均功率为30.4 mW。为了进一步提高输出功率，我们采用2mm厚的GaSe晶体，结果如图2（b）所示，整个光谱调谐范围内脉冲功率均大于10mW，最大平均功率达58.3mW。相比于以往基于掺镱光纤的中红外光源，本研究成果将DFG平均功率提高了一个数量级，并首次实验上观测到了工作在光参量放大机制下的高重频DFG过程。该高功率长波中红外光源基于结构紧凑的光纤激光器，可以用于实现中红外双光梳，从而推动中红外光梳在精密光谱学中的前沿应用。相关结果发表在最近的Optics Letters上（https://doi.org/10.1364/OL.482461），被选为Editor's Pick并成为当天下载量最多的5篇论文之一。图2. 在不同厚度GaSe后测量到的中红外光谱和功率:（a） 1mm-GaSe（b）2mm-GaSe。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：No.62227822和62175255）、中国科学院国际交流项目（批准号：No. GJHZ1826）和国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）的支持。论文第一作者为物理所博士生刘洋，常国庆特聘研究员为通讯作者，赵继民、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室夏志国教授团队在Nature Photonics期刊上在线发表了题为“Laser-Driven BroadbandNear-Infrared Light Source with Watt-Level Output”的研究论文。该论文报道了一种组成极为简单的MgO:Cr³⁺近红外荧光透明陶瓷，所制作的蓝光激光驱动近红外光源器件输出功率达到目前最高纪录的6 W，并展示了其在远距离夜视补光和无损检测成像等领域的应用。晶圆级MgO:Cr³⁺半透明陶瓷蓝光发光二极管（LED）催生了第四代半导体照明技术，新应用需求对光源器件提出了更高的要求，蓝光激光二极管（LD）结合荧光转换材料成为一个重要的发展方向。它由极亮的蓝光LD泵浦荧光转换材料制作，并在航空航海照明、水下照明、激光荧光显示投影仪以及大功率近红外光源器件等应用中具有巨大潜力。该项研究发明了一种接近“性能完美”的高稳定性MgO:Cr³⁺荧光透明陶瓷（中国发明专利，ZL202211147958.4），其宽带近红外发光发射峰值810 nm，取得了迄今为止的最高外量子效率（81%）。通过掺杂引入的Cr³⁺离子在Mg²⁺格位异价取代，使得结构中存在丰富的阳离子空位缺陷，形成了不同局域环境的Cr³⁺发光中心。与此同时，发光中心之间的声子辅助激发态能量传递过程，弥补了长波长发射的非辐射弛豫，克服了能隙率的影响，提升了发光效率。进一步得益于MgO荧光透明陶瓷所具有的超高导热率，在22 W/mm²蓝光LD泵浦下获得了超过6 W的宽带近红外输出功率，光转换效率达29%。MgO:Cr³⁺荧光半透明陶瓷的荧光光谱及辐射机理采用该项技术搭建的原型器件可穿透3 cm厚的不透光硬纸板，实现剪刀模型成像，其成像分辨率为6l p/mm。这种全新的激光驱动大功率近红外光源在夜视补光、工业探伤设备及医疗器械的无损检测成像等领域具有广泛应用前景。激光驱动的近红外光源及其应用华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室博士研究生刘高超为该论文的第一作者，夏志国教授为通讯作者。这项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和广东省珠江人才计划资助。论文链接：https://doi.org/10.10 38/s41566-024-01400-7