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朗訊貝爾實(shí)驗室研制出世界上首款高性能、超寬帶半導體激光器

2002/02/22

朗訊科技公司下屬研發(fā)機構貝爾實(shí)驗室的科學(xué)家們近日成功研制出世界上首款能夠在紅外波長(cháng)光譜范圍內持續可靠地發(fā)射光的新型半導體激光器。新設備克服了原有寬帶激光發(fā)射過(guò)程中存在的缺陷，在先進(jìn)光纖通信和感光化學(xué)探測器等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的潛在應用。相關(guān)的制造技術(shù)可望成為未來(lái)用于光纖的高性能半導體激光器的基礎。

有關(guān)新激光器性質(zhì)的論文刊登在昨天（2002年2月21日）出版的《自然》雜志上。文章主要作者、貝爾實(shí)驗室物理學(xué)家Claire Gmachl斷言：“超帶寬半導體激光器可用來(lái)制造高度敏感的萬(wàn)用探測器，以探測大氣中的細微污染痕跡，還可用于制造諸如呼吸分析儀等新的醫療診斷工具。”

半導體激光器是一類(lèi)非常方便的光源，具備緊湊、耐用、便攜、強大等特點(diǎn)。然而，典型半導體激光器通常為窄帶設備，只能以特有波長(cháng)發(fā)出單色光。相比之下，超帶寬激光器具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，可以同時(shí)在更寬的光譜范圍內選取波長(cháng)。而制造出可在范圍廣泛的操作環(huán)境下可靠運行的超帶寬激光器正是科學(xué)家們長(cháng)久以來(lái)追求的一個(gè)目標。

為了研制出新型的激光器，貝爾實(shí)驗室科學(xué)家們采用了650余種光子學(xué)中使用的標準半導體材料，并將其疊放在一起組成一個(gè)“多層三明治”。這些層面共分為36組，其中不同層面組在感光屬性方面有著(zhù)細微的差別，并在特有的短波長(cháng)范圍內生成光，同時(shí)與其他各組之間保持透明。所有這些層面組結合在一起，就能發(fā)射出寬帶激光。

新型激光器隸屬于一類(lèi)我們稱(chēng)之為量子瀑布（QC）激光器的高性能半導體激光器。QC激光器由Federico Capasso和Alfred Cho及其同事于1994年在貝爾實(shí)驗室發(fā)明，其操作過(guò)程非常類(lèi)似于一道電子瀑布。當電流通過(guò)激光器時(shí)，電子瀑布將沿著(zhù)能量階梯奔流而下；每當其撞擊一級階梯時(shí)，就會(huì )放射出紅外光子。這些紅外光子在包含電子瀑布的半導體共振器內前后反射，從而激發(fā)出其他光子。這一放大過(guò)程將產(chǎn)生出很高的輸出能量。

超寬帶激光器可在6-8微米紅外波長(cháng)范圍產(chǎn)生1.3瓦的峰值能量（1微米等于百萬(wàn)分之一米，大約相當于人類(lèi)頭發(fā)直徑的百分之一）。Gmachl指出：“從理論上講，波長(cháng)范圍可以更寬或更窄。選擇6-8微米范圍波長(cháng)發(fā)射激光，目的是更令人信服地演示我們的想法。未來(lái)，我們可以根據諸如光纖應用等具體應用的特定需求量身定制激光器。”

除Gmachl外，參予最新QC激光設計與制造的跨學(xué)科研究小組成員還包括貝爾實(shí)驗室研究人員Deborah Sivco和Raffaele Colombelli、物理研究副總裁Federico Capasso以及半導體研究助理副總裁Alfred Cho。

朗訊科技供稿 CTI論壇編輯