Abstract. Currently, the highest power quantum cascade lasers (QCLs) include (i) an efficient active region design, which minimizes the energy fraction transferred into heat, (ii) a relatively large number (40) of cascades, which increases the mode confinement factor, Γ, and (iii) narrow buried-heterostructure waveguides, which efficiently cool the active region through efficient lateral heat flow. This combination allows watt-level continuous wave (cw) emission powers at room temperature. Moreover, narrow waveguides favor the fundamental TM00 lateral mode, resulting in a nearly Gaussian beam. To the extent that power efficiency is already largely optimized, power scaling in narrow-stripe QCLs is only possible through increasing the laser length, which is limited by the needs for robust construction and transparent antireflection coatings. Broad-area (BA) QCLs with a small number of cascades can also deliver watt-level cw powers at room temperature, profiting from the enhanced vertical heat flow. Power can be scaled for these lasers also via the laser width and is nearly unlimited. The usual drawback of the BA lasers is poor beam quality. We discuss the use of tapered QCLs and the first demonstration of room temperature cw operation of the BA QCL in fundamental TM00 mode. A stable and reproducible transverse optical mode is achieved using a double-taper waveguide geometry. The laser emits at 4.6 μm and has a demonstrated room temperature cw power of 100 mW.

中文翻译：

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用于高亮度的锥形量子级联激光器的基模发射

摘要。目前，最高功率的量子级联激光器 (QCL) 包括 (i) 有效的有源区设计，最大限度地减少了转化为热量的能量分数，(ii) 相对大量 (40) 级联，这增加了模式限制因子， Γ 和 (iii) 窄的埋入式异质结构波导，通过有效的横向热流有效地冷却有源区。这种组合允许在室温下产生瓦特级连续波 (cw) 发射功率。此外，窄波导有利于基本的 TM00 横向模式，从而产生接近高斯的光束。就功率效率已经在很大程度上优化而言，窄条纹 QCL 的功率缩放只能通过增加激光器长度来实现，而这受到对坚固结构和透明抗反射涂层的需求的限制。具有少量级联的广域 (BA) QCL 还可以在室温下提供瓦特级连续波功率，受益于增强的垂直热流。这些激光器的功率也可以通过激光器宽度进行调整，而且几乎是无限的。BA 激光器的常见缺点是光束质量差。我们讨论了锥形 QCL 的使用以及 BA QCL 在基本 TM00 模式下室温连续工作的首次演示。使用双锥波导几何结构实现了稳定且可重复的横向光学模式。激光器的发射波长为 4.6 μm，已证明室温连续波功率为 100 mW。这些激光器的功率也可以通过激光器宽度进行调整，而且几乎是无限的。BA 激光器的常见缺点是光束质量差。我们讨论了锥形 QCL 的使用以及 BA QCL 在基本 TM00 模式下室温连续工作的首次演示。使用双锥波导几何结构实现了稳定且可重复的横向光学模式。激光器的发射波长为 4.6 μm，已证明室温连续波功率为 100 mW。这些激光器的功率也可以通过激光器宽度进行调整，并且几乎是无限的。BA 激光器的常见缺点是光束质量差。我们讨论了锥形 QCL 的使用以及 BA QCL 在基本 TM00 模式下室温连续工作的首次演示。使用双锥波导几何结构实现了稳定且可重复的横向光学模式。激光器的发射波长为 4.6 μm，已证明室温连续波功率为 100 mW。