量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum cascade lasers, QCLs)是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。不同於傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，QCL受激輻射過(guò)程只有電子參與，激射波長(zhǎng)的選擇可通過(guò)有源區(qū)的勢(shì)阱和勢(shì)壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。QCL引領(lǐng)了半導(dǎo)體激光理論、中紅外和THz半導(dǎo)體光源革命，是痕量氣體監(jiān)測(cè)和自由空間通信的理想光源，在公共安全、國(guó)家安全、環(huán)境和醫(yī)學(xué)科學(xué)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用前景。 量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源，其工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級(jí)厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級(jí)串接組成(通常大于500層)而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級(jí)聯(lián)激光器的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了利用寬帶隙材料研制中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的先河，在中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史上樹(shù)立了新的里程碑。1994年Federico Capasso和同事卓以和等人在貝爾實(shí)驗(yàn)室率先發(fā)明量子級(jí)聯(lián)激光器。這被視為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一次革命。2000年，我國(guó)科學(xué)家李愛(ài)珍（現(xiàn)任美國(guó)科學(xué)院院士）的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器，從而使中國(guó)進(jìn)入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國(guó)家行列。
工作原理
量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，其發(fā)光波長(zhǎng)由半導(dǎo)體能隙來(lái)決定。QCL受激輻射過(guò)程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過(guò)改變量子阱層的厚度來(lái)改變發(fā)光波長(zhǎng)。
量子級(jí)聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢(shì)在于它的級(jí)聯(lián)過(guò)程，電子從高能級(jí)跳躍到低能級(jí)過(guò)程中，不但沒(méi)有損失，還可以注入到下一個(gè)過(guò)程再次發(fā)光。這個(gè)級(jí)聯(lián)過(guò)程使這些電子 “循環(huán)”起來(lái)，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。
特點(diǎn)
由于量子級(jí)聯(lián)激光器是集量子工程和先進(jìn)的分子束外延技術(shù)于一體，與常規(guī)的半導(dǎo)體激光器在工作原理上不同，其特點(diǎn)優(yōu)于普通激光器，因技術(shù)含量很高，相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 據(jù)了解，量子級(jí)聯(lián)激光器是一個(gè)高難度的量子工程，特點(diǎn)是工作波長(zhǎng)與所用材料的帶隙無(wú)直接關(guān)系，僅由耦合量子阱子帶間距決定，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的大范圍剪裁。
許多基于量子級(jí)聯(lián)激光器的可調(diào)諧中紅外激光器(脈沖和紅外)在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化,是各國(guó)爭(zhēng)相研究的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
量子級(jí)聯(lián)激光器集量子工程和分子束外延技術(shù)于一體，是國(guó)家納米及量子器件核心技術(shù)的真正體現(xiàn)，這方面的技術(shù)突破將激活我國(guó)的民用市場(chǎng)。它在紅外通信、遠(yuǎn)距離探測(cè)、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過(guò)程監(jiān)測(cè)、分子光譜研究、無(wú)損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很急迫的應(yīng)用前景。
分類
QC激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。
增益介質(zhì)顯示為灰色，波長(zhǎng)選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。
1.最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結(jié)構(gòu)中，切割面為激光提供反饋，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出。
2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過(guò)最大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長(zhǎng)調(diào)諧（通過(guò)緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過(guò)快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。
3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來(lái)，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過(guò)10ms）。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作。
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