美國(guó)西北大學(xué)的研究人員研制出了一種小型中紅外激光二極管，其轉(zhuǎn)換效率超過50%。有關(guān)報(bào)道稱這一成果是量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)研究的重大突破，使量子級(jí)聯(lián)激光器向多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，包括對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的遠(yuǎn)程探測(cè)，邁出了重要一步。相關(guān)研究成果刊發(fā)在最近的《自然—光子學(xué)》(Nature Photonics)雜志網(wǎng)絡(luò)版上。
量子級(jí)聯(lián)激光器是一種發(fā)光機(jī)制異于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的新型二極管激光器，根據(jù)量子力學(xué)原理設(shè)計(jì)，其發(fā)光波長(zhǎng)可覆蓋中紅外區(qū)域。與傳統(tǒng)的二極管激光器不同，量子級(jí)聯(lián)激光器是單極器件，僅需電子即可運(yùn)作，利用電子在一維量子化的導(dǎo)帶間的躍遷來實(shí)現(xiàn)發(fā)光。經(jīng)過多年的研究和工業(yè)化開發(fā)，現(xiàn)代近紅外(波長(zhǎng)在1微米左右)激光二極管的轉(zhuǎn)換效率已接近極值，而中紅外(波長(zhǎng)大于3微米)激光二極管卻很難達(dá)到效率極值。先前的報(bào)道認(rèn)為，即使冷卻到低溫狀態(tài)，高效量子級(jí)聯(lián)激光器的轉(zhuǎn)換效率也不會(huì)高于40%。
美國(guó)西北大學(xué)量子器件研究中心(CQD)的研究人員通過優(yōu)化激光器設(shè)備的材料質(zhì)量，在量子級(jí)聯(lián)激光器效率方面取得了突破性進(jìn)展。他們剔除了在低溫條件下激光器操作中非必要的設(shè)計(jì)元素，研制出的新型激光器在溫度冷卻到40開爾文時(shí)，4.85微米波長(zhǎng)光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了53%。
該研究小組的領(lǐng)導(dǎo)者、美國(guó)西北大學(xué)麥考密克工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授瑪尼杰·拉澤吉認(rèn)為，這種高效激光器的問世是一個(gè)重大突破，這是科學(xué)家們首次使激光器發(fā)出的光能超過熱能。她強(qiáng)調(diào)，激光器的轉(zhuǎn)換效率突破50%這個(gè)門檻，是一個(gè)里程碑式的成就。
報(bào)道稱，提高轉(zhuǎn)換效率依然是目前激光器研究的首要目標(biāo)。而新型設(shè)備所展現(xiàn)的高效率，可大大擴(kuò)展量子級(jí)聯(lián)激光器的功率標(biāo)定范圍。最近的研究表明，伴隨著量子級(jí)聯(lián)激光器的廣泛發(fā)展，單體脈沖激光器的輸出功率已高達(dá)120瓦特，而在一年前，只有34瓦特。
該研究得到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局高效中紅外激光器(EMIL)項(xiàng)目和美國(guó)海軍研究所的共同資助。
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