红外量子级联激光器的高速全光调制基础理论及技术研究

中红外量子级联激光器在自由空间光通讯和红外激光光谱技术等领域有着巨大的应用前景。然而，量子级联激光器的寄生电容限制了基于电方法的光强调制和频率调速度，因此限制了其在通讯和光谱分析的应用。为解决目前调制方法的局限性，本课题在申请人多年从事红外量子级联激光器全光调制研究的基础上，为充分利用量子级联激光器的超快电子特性，首次提出采用两束不同波长的近红外光控制量子级联激光器价带与导带间电子跃迁，改变导带电子浓度和电子在导带中子带间的分布，对中红外量子级联激光器激光输强度或波长进行高速调制。该全光调制技术可直接用于高速调幅/调频中红外光通讯、近红外-中红外光信号的直接高速转换。高速频率调频还可以用于高灵敏度的中红外调频激光光谱技术。本课题研究成果将为实现高速中红外自由空间光通讯、高速中红外调频光谱技术等方面奠定理论和实验技术基础，具有十分重大的科学意义和广泛的应用前景。

中红外量子级联激光器在自由空间光通讯和红外激光光谱技术等领域有着巨大的应用前景。然而，量子级联激光器的寄生电容限制了基于电方法的光强调制和频率调速度，因此限制了其在通讯和光谱分析的应用。为解决目前调制方法的局限性，本课题在前期红外量子级联激光器全光调制研究的基础上，为充分利用量子级联激光器的超快电子特性，首次提出采用两束不同波长的近红外光控制量子级联激光器价带与导带间电子跃迁，改变导带电子浓度和电子在导带中子带间的分布，对中红外量子级联激光器激光输强度或波长进行高速调制。该全光调制技术可直接用于高速调幅/调频中红外光通讯、近红外-中红外光信号的直接高速转换。 高速频率调频还可以用于高灵敏度的中红外调频激光光谱技术。本课题研究成果将为实现高速中红外自由空间光通讯、高速中红外调频光谱技术等方面奠定理论和实验技术基础，具有十分重大的科学意义和广泛的应用前景。在近三年的研究中，我们采取理论结合实验的研究方式。在理论上重点研究了量子级联激光器的等效物理模型，先后提出了两种改进的量子级联激光器物理模型：含辐射项的完全速率方程量子级联激光器模型、含电子温度的完全速率方程量子级联激光器模型。并根据两个模型建立了相应仿真算法，完成了仿真软件的编制。并利用该软件，对电子温度、量子级联激光器输出特性、量子级联激光器全光调制相应特性、全光调制最优化波长、全光调制事件响应特等进行了定量的理论研究。相应的理论研究成果，被应用到相应的实验中，对实验的相关参数进行了优化。在实验部分，主要是实现了高速的振幅、频率调制，通过对实验参数的优化，采用1550nm的近红外激光作为调制光源，实现了对量子级联激光器输出激光频率调制带宽达到了8.4GHz，这为实现宽带的自由空间红外调频通讯奠定了良好的实验基础。通过本项目本身及其牵引作用，我们建立起了两套量子级联激光器实验系统，保障了本项目顺利完成，为后续深入研究建立了良好的实验平台，也为后续的项目申请奠定了坚实的基础。在项目开展期间，与美国Stevens Institute of Technology开展合作研究，共同署名发表文章，建立了良好的国际合作关系。同时，本项目的后续研究，进一步获得了第43批教育部“留学回国科研启动基金”和2013年度教育部“新世纪优秀人才计划”的资助。这些都为本项研究进一步深入开展，奠定了良好的基础。.