《(在研)有源红外气体传感材料与器件及应用》

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随着环保及气体测量技术的发展,很多领域对气体测量仪器的要求越来越高,特别是在痕量气体检测方面,需要更高的测量精度。因此,如何对空间环境中多种成分气体进行在线传感监测越来越成为气象环境、工业控制领域需要亟待解决的问题。

可调谐二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS)的气体传感器,是结合光电子学、光谱学,以及微弱信号处理等高新技术的气体传感器系统。该设备与传统的气体传感器装置(电化学法、气相色谱法、吸附法)相比具有更高的灵敏度、更精确的测量数据、更快的响应速度,以及在线实时测量等特点,已经在一些行业展示了巨大的应用潜力。

研究内容:

通过研究高性能红外有源光传感材料与器件,构建基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的同时探测多种气体的检测系统,实现其在环境监测、工业安全等领域的示范应用。该项目以InP基和GaSb基应变量子阱材料和超晶格材料的生长机理和可控制备,II类超晶格锑化物探测材料的新结构探索,InP体系和GaSb体系量子阱激光器的载流子动力学以及高电光转换效率有源区设计为研究重点。通过研究可调谐光源的单片集成技术、模式耦合、级联结构材料的能带工程设计、以及波长调谐关键技术难点,研制出高性能近红外与中远红外半导体激光光源、中远红外光探测器以及相应的多气体检测系统。主要研究内容如下:

(1)近红外波段室温连续激光器:

研究激光器有源区大应变量子阱材料的设计与生长技术;研究可调谐激光器增益区材料和光栅区材料的高效率集成技术,实现光在增益区与无源光栅区间的高效耦合。研究高品质因子回音壁模式微腔与法布里珀罗谐振腔的模式耦合,利用游标效应设计高效耦合微腔结构,实现低能耗单模半导体耦合微腔激光器。

(2)中红外波段室温连续激光器:

针对实现高性能2微米和2.8微米半导体激光器波段所面临的关键科学和技术问题,研究低维量子结构异质界面应力调控、缺陷抑制及元素分凝控制,研究相关功能材料能带工程设计、载流子注入调控和输运过程以及光场分布,提高电光转换效率;实现低功耗、单模分布反馈半导体激光器。

(3)中远红外量子级联室温连续激光器:

研究量子级联异质结构材料体系相关的层厚、界面、应力、组份均匀性、调制掺杂的精确控制,实现QCL材料的可控制备。研究电场、热场、应力场、光场分布及其关联,实现量子级联激光材料的场致调控。研究不同形式的分布反馈光栅(DFB)和外场对QCL的模式(纵模/横模)调控原理。

(4)中远红外波段探测器:

研究锑化物中远红外探测器的新型势垒/浅台面设计对改善噪声特性的作用;应用表面活性剂提高外延材料的表面界面质量,降低探测器暗电流;发展低损伤刻蚀、低漏电侧壁钝化工艺;探索有效的表面微纳陷光结构,提高光电耦合和光电转换效率;制备高效率低噪声的中远红外探测器。

(5)多种气体监测系统:

研究基于TDLAS技术的可调谐半导体激光器波长扫描测量控制算法;研究不同波段的半导体激光器波长精确控制技术;研究气体吸收线型修正补偿技术、多通道激光器调制噪声干扰抑制技术、微弱信号检测识别技术;研究多种气体测量典型应用技术。

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