《红外量子级联激光器关键技术》

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该发明属低维无机非金属材料(学科代码4304520),涉及了多项研制量子级联激光器的关键技术。

红外激光器对国防安全和社会发展具有重要作用。典型例证:红外激光器可用于红外干扰及对抗、空间通信、战场环境评估等军事领域;红外波段覆盖了绝大多数分子的特征吸收,红外激光可用于环境、医学、工业、公共安全等领域。量子级联激光器(Quantum Cascade Laser简称QCL)是基于半导体耦合量子阱子带间电子跃迁的单极性激光器,具有小型、大功率、波长选取和调谐范围广的特征,是最理想的中远红外激光光源。该项目实施之前,国际上没有实用化的产品、仅有少数几个实验室有能力研制QCL,其技术瓶颈在于能带结构设计、近千层纳米级厚度的三元化合物半导体异质结构外延、大功率低阈值工艺、调谐范围及光束质量控制等。项目成员攻克了材料设计与制备、器件工艺等全链条关键技术,研发出波长3.5~11μm范围的一系列实用化的红外QCL,满足不同领域的需求。

发明点1:全结构近千层QCL材料制备技术、量子点QCL材料设计原理与制备技术。

(1)围绕QCL有源区近千层三元化合物半导体量子阱/超晶格结构材料层厚、组分、界面质量和调制掺杂精确控制的难题,发明了分子束外延(MBE)技术涉及的源炉温度、束流强度、生长速率、生长温度的协同控制技术,提高界面质量的同时、降低背景掺杂的影响,使QCL材料质显著提高;(2)针对QCL波导损耗难题,发明了固态MBE生长InP技术,有效降低QCL的阈值电流密度、提高输出功率;(3)发明了量子点QCL材料设计原理和对应的二级应变补偿材料制备技术,研制出国际上第一个量子点QCL。

发明点2:QCL单模宽调谐波导材料制备技术。

发明了QCL单模宽调谐波导材料制备技术,利用取样光栅对光学模式实施有效调控,解决了QCL调谐范闻、单模稳定性、阈值电流密度与输出功率兼顾的难题,研制出国际上阈值电流密度最低的QCL。

发明点3:微纳结构复合光栅材料对QCL的远场控制技术。

发明了面发射QCL的光束控制技术,解决了QCL在室温连续波工作模式下远场发散角大的难题,研制出国际第一个室温连续波工作的脊型面发射QCL。

上述发明成果共获授权发明专利26项,发表代表性SCI论文35篇,他引164次。实现了从跟踪国际前沿到并跑到关键技术创新的跨越,在解决了我国实用化QCL从无到有的基础上,部分重要指标达到国际领先水平。研制的各种QCL已用于开发红外干扰和对抗系统、脑科学研究、环境监测、二氧化碳同位素检测等,已销售给解放军61646郃队、63672部队、中航工业洛阳电光设备研究所、中电集团五十三研究所、美国Arrow Grand Technologies LLC等国内外30多个单位,近三年新增销售额378万元,产生的间接经济效益超过8000万元。

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