Block量子级联激光器(QCL)的常见问题

量子级联激光器，英文名Quantum Cascade Laser，缩写QCL，主要应用于生化检测，气体探测和光谱学等领域。Block在量子级联激光器QCL常见问题方面给出解答，此篇文章讲述了一些QCL量子级联激光器常见问题和Block LaserTune外腔量子级联激光器EC-QCL的优势，例如，量子激光器为什么选择的是脉冲激光？什么是"外腔"量子级联激光器（EC-QCL）？

1、脉冲和CW（连续）激光器有什么区别？

Block Engineering的中红外量子激光器是"脉冲"激光器，而不是"连续"激光器。这些术语是什么意思？另外，脉冲激光器有哪些优势？脉冲激光器以极快的爆发或脉冲形式发射光，脉冲之间有停顿，脉冲的时间周期以纳秒（十亿分之一秒）为单位。在Block量子级联激光器中，每个脉冲的时间（或 "脉宽"）可在30ns到500ns之间设定。相比之下，连续激光器不以脉冲形式发光，反而，光会持续均匀地释放出来，就像闪闪发光的白炽灯泡一样。

量子级联激光器为什么选择的是脉冲激光？

脉冲设计的主要优点是激光器的热量有时间散失，脉冲之间的间隙允许大量传导冷却，而不是让激光器持续"开启"和"发热"。对于Block激光器来说，这意味着不需要庞大的外部空气和水冷系统来给激光器散热。

实际上，Block的QCL封装采用的是热电冷却，没有任何外部风扇或其他活动部件。因此，Block的系统非常紧凑，成本低于主动冷却的连续（CW）激光器，而且不需要耗电和机械脆弱的冷却系统。减少热量还有一个优势是脉冲激光束可以保护激光目标免受热损伤。由于Block的激光器通常用于分析脆弱的生物组织、检测微量化学物质以及为红外显微镜供电，因此免受热损伤这一点非常重要。组织样本可能会被较热的连续激光器损坏，而较冷的脉冲激光器则可以对其进行长时间的温和检测，热干扰的风险也会降低，从而提高化学特征的测量精度。

由于Block激光器主要用于光谱学、研究和生物医学分析等应用，因此脉冲激光通常是客户的首选。

连续激光：

脉冲激光器和连续激光器之间并非是二选一。由于脉冲宽度和周期可以编程，因此可以及时增加激光脉冲的数量和宽度，从而有效地使脉冲激光器的占空比更接近于连续波激光器。使用 "占空比 "一词来描述激光器在开启时发光时间的百分比，对于连续激光器来说，占空比是100%。对于脉冲激光器，占空比可能是几十个百分点，也可能只有几个百分点，这取决于分析样品所需的激光功率，同时还要考虑散热程度。

Block QCL的占空比可通过内部或外部触发进行控制，从而修改脉冲。有些应用需要更强的光，有些则需要更少的热量或热干扰。脉冲和占空比的灵活性可以帮助激光客户找到理想的平衡点。

2、什么是"外腔"量子级联激光器（EC-QCL）？

有一些激光器，包括Block开发的QCL量子级联激光器，采用了"外腔"设计，什么是外腔激光器？这种设计有哪些优点？

激光器由一个能量源、一个增益介质和一个光腔组成。量子级联激光器（QCL）使用一个特殊生长的半导体芯片作为激光器的增益介质。半导体芯片的能源由外部电力供应，激光器的光腔包含反射面，可使激光束反复穿过增益介质，每次通过增益介质时，激光束都会获得更多能量。激光器的输出由腔镜提供，腔镜只有部分反射，并能传输部分腔内激光功率。

光学腔体设计：

激光器的光腔有两种常见的设计："法布里-珀罗 "腔和外腔。

最简单的QCL采用法布里-珀罗腔体，其中半导体芯片的正面和背面是腔体的反射面，这样的设计既简单又独立。但是，这种腔体不能很好地控制输出的光谱质量，将QCL芯片集成到外部腔体（EC）中可实现更精细的波长控制，外部腔体使用QCL芯片外的至少一个反射面作为光腔的一部分。这样就可以在光腔中加入衍射光栅，提供波长选择和宽调谐范围。

Block LaserTune外腔量子级联激光器示意图如下：

透镜用于准直从QCL芯片发出的光线，QCL芯片的左侧面部分反射。这使得它可以作为激光束的输出端和激光腔的一端。激光腔的另一端是一个衍射光栅，衍射光栅的方向可以调整，以调节激光输出的波长。

Block LaserTune外腔量子级联激光器EC-QCL的优势：

法布里-珀罗QCL的波长只能在很小的范围内调节，通常是通过控制QCL芯片的温度来实现。相比之下，EC-QCL 的调谐范围要比法布里-珀罗QCL大得多。

另外，通过调整衍射光栅的角度，Block的EC-QCL可以在很宽的中红外光谱范围内进行调谐。这使得光谱学和成像等领域的研究人员能够精确选择最有利于其应用的红外光范围。

为什么不是所有激光器都采用外腔呢？

法布里-珀罗QCL的设计更为简单和紧凑。QCL的许多应用（包括照明器和红外对抗措施）都不需要可调波长，使用法布里-珀罗QCL可以节省空间、复杂性和材料。

但是，对于光谱学、显微镜和其他科学仪器应用而言，宽调谐范围是必不可少的。外腔激光器是可调谐波长范围最大的QCL激光器。

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