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量子级联激光器的数值优化及其光电调制特性研究

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 量子级联激光器研究现状

1.3 量子级联激光器光电调制意义及研究现状

1.4 本文研究目的及研究内容

2 量子级联激光器及其光电调制基本理论

2.1 量子级联激光器基本结构和工作原理

2.2 量子级联激光器能带结构

2.3 量子级联激光器电子散射模型

2.4量子级联激光器光电调制模型

2.4.1 直接调制

2.4.2 间接调制

2.5 量子级联激光器优化模型

2.6 本章小结

3量子级联激光器数值仿真优化研究

3.1中红外量子级联激光器电子输运

3.1.1 中红外量子级联激光器导带子能级计算模型

3.1.2 传输矩阵法及模拟结果分析

3.1.3中红外量子级联激光器子能级电子温度数值仿真算法

3.1.4 中红外量子级联激光器子能级电子温度计算及模拟结果分析

3.1.5 子能级电子温度对中红外量子级联激光器I-V 曲线的影响

3.2 本章小结

4量子级联激光器光电调制实验研究

4.1量子级联激光器全光调制评估分析

4.1.1 量子级联激光器全光调制评估实验系统设计

4.1.2 近红外激光波长对全光调制影响

4.1.3 近红外激光光斑位置对全光调制影响

4.1.4 近红外激光入射角对全光调制影响

4.2 基于量子级联激光器直接吸收光谱技术研究

4.3本章小结

5 全文总结与展望

5.1 主要研究工作

5.2主要创新点

5.3不足之处及进一步工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢

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摘要

众所周知,爱因斯坦的受激辐射理论为激光器的产生奠定了理论基础。激光器按工作介质可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器。量子级联激光器属于半导体激光器,它是一种高性能的相干光源,具有功率高、线宽窄、输出波长可调谐等优势,其输出波长已从中红外波段增至太赫兹波段,在分子光谱学、气体检测、医学诊断、化学传感、自由空间光通信、工业生产过程控制等领域有着广阔的应用前景。本论文主要从理论和实验两个方面对量子级联激光器的输出特性进行了全面而深入的研究。  理论上,利用Matlab分析软件,采用传输矩阵法和有限差分法求解单电子的薛定谔方程,得到了各能级和电子波函数分布。基于此,针对现有量子级联激光器,进行了模拟分析研究,验证了方法的有效性,且在保证计算精度的前提下,通过有限差分法能将计算速度提高至原来的3倍左右。进而,采用粒子群算法,优化了量子级联激光器的仿真模型,计算了各能级的电子温度,模拟了量子级联激光器的输出特性,分析讨论了各能级的电子温度对量子级联激光器输出特性的影响,仿真得到的量子级联激光器的阈值电流密度为1.82kA/cm2,实测光发射功率和模拟光发射功率数据之间只有大约50mA的差异,模型更加优化的呈现于实验的相关性和指导性,这可以为进一步从理论上研究量子级联激光器全光调制物理机制奠定了重要基础。  实验上,构建了基于光致发光光谱评估量子级联激光器全光调制的实验装置,确定了最佳调制波长为1560nm、光斑位置为5.045mm等,此可用于优化量子级联激光器的全光调制。同时,建立了基于量子级联激光器的直接吸收光谱实验系统,基于此,开展了检测NO气体实验研究。在1000ns内,获得了NO气体的直接吸收光谱,测得了直接吸收光谱NO气体浓度检测工作曲线,进行了NO气体浓度定量测试工作,计算出最小的吸光度为0.05345,对应的气体浓度为6.47ppm。

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