超輻射發光管是一種利用放大自發輻射的非相干光源, 它兼具了雷射器的大功率和LED的寬光譜特性, 同時具有弱時間相干性和高光纖耦合效率, 是一些非相干光學系統 (如光學相干層析成像系統 (OCT) ) 的理想光源. OCT技術是上世紀90年代發展起來的一種具有高解析度, 非接觸式, 無輻射損傷等諸多優點的一種生物醫學成像技術, 已在眼科, 牙科和皮膚科的臨床診斷中有重要應用, 是繼X-CT和MRI醫學成像技術之後的又一大技術突破. OCT系統的發展與所採用光源息息相關, 其應用, 升級換代強烈地依賴於核心光源的發展水平. 目前OCT技術雖然已被大眾認可, 一些國內外醫院成立了專門的OCT成像科室, 但OCT技術的巨大優勢還遠遠沒有體現出來, 因為其發展中遇到了兩個主要瓶頸: (1) 成像解析度較低; (2) 成像深度有待提高. 因而對OCT系統所採用的寬譜光源的訴求就是: (1) 高功率與寬光譜共存的近紅外寬譜光源的製備; (2) 寬譜光源的工作波長向中紅外波段拓展.
針對這一科學問題, 中科院蘇州納米所張子暘課題組與中科院半導體所劉峰奇, 王占國實驗室合作利用調製摻雜的多層量子點結構, 打破了傳統半導體寬光譜光源中輸出光譜寬度與輸出功率相互制約的關係, 成功地研製出了近紅外波段高輸出功率﹥20 mW, 同時寬光譜﹥130 nm的量子點SLD (如圖1所示) ; 隨後又利用子帶間躍遷的量子級聯材料為增益介質, 採用寬譜光源與光放大器單片整合的器件結構, 實現了國際上第一支室溫連續工作的中紅外量子級聯SLD (如圖2所示) , 這一進展填補了中紅外波段室溫連續工作半導體寬光譜光源的空白. 這些研究成果為提高目前近紅外OCT系統的性能, 實現多年前理論預言的中紅外OCT系統奠定了材料及器件基礎.
圖1 調製摻雜自組織量子點J型波導SLD結構示意圖, 光譜和P-I曲線
圖2 室溫連續工作的中紅外量子級聯SLD結構及發光示意圖
以上結果發表在Light: Science & Applications 7, 17170 (2018). 該工作得到了國家自然科學基金, 國家重點研發計劃和青年千人計劃資助.
