量子级联激光器的发展

　　量子级联激光器已被证明与传统的二极管激光器具有不同的发光原理，它是在子带间跃迁基础上的一种新型激光器。在理论上量子级联激光器的激射波长可调节性更强，拥有更广泛的应用前景。

量子级联激光器的发明

　　在80年代，对于子带间激光器有很多尝试，但在90年代初大部分已被放弃。在贝尔实验室，关于制造这样一个电力泵浦的工作开始于1991年，是在Jerome Faist加入Capasso的小组之后，并于1994年初取得了成功，他们发明了diyi台量子级联激光器。

　　1997年，贝尔实验室发明并展示了超晶格活跃区量子级联激光器，此激光器的发光跃迁发生在宽的超晶格子带之间。这种激光器的高电流负载能力，对于同样的级数可以达到更高的光功率。此外，这种设计还有其它的好处，比如使子带间弛豫时间与子带内弛豫时间比率很大，从而自动的保证了粒子数反转。

　　在原始的超晶格设计中，活跃区是被掺杂的，但这种设计却导致了高阈值。为解决这个问题，贝尔实验室设计了一种有空间变化壁垒的非掺杂超晶格活跃区。当加上适当数量级的电场后，不同阱的能量状态产生共振和杂交，这些能级被加宽并产生子带。此结构的设计是一个重大发现，因为它使得脉冲在相对低的阈值时就可在室温下工作，并且峰值光功率达到了数百千瓦。此外，这种设计对于长波长激射也是有帮助的。

　　在非掺杂超晶格活跃区激光器基础上，激射波长在2001年被扩展到24μm。还有另外两个关于超晶格量子级联激光器的革新值得被提及。其中之一是“无注入区”激光器，其中注入区的作用被一个设计巧妙的双量子阱阱间跃迁超晶格活跃区所取代。这种激光器的主要优点是活跃区更加紧凑且可以产生更强的光学限制。另一个提高超晶格量子级联激光器工作性能的设计由Gaetano Scamarcio提出，这个关于发射区的新颖设计允许电子进入激发子带的高能态。超晶格活跃区的应用对于量子级联激光器的发展是一个重要里程碑，它不仅提高了发射功率，也为较长波长激光器的发展奠定了基础。

THz量子级联激光器

　　对于THz波段，由于其广泛的应用前景，如在化学探测和天文学医学成像方面的应用，而引起了人们的极大兴趣。但由于大部分常见激光器难以实现THz激射，使得THz光源成为一个亟待解决的问题。1997年，华裔科学家胡清研制出了在子带间跃迁基础上的电力泵浦可调THz发射器为以后THz量子级联激光器的产生提供了基础。胡清等人在1999年通过向阱材GaAs中精确的加入微量Al，在得到三能级系统的同时又保持相对的窄线宽，通过E3和E2之间的阱间跃迁，得到了ZX频率在2.57THz的自然发射。

　　工作于THz频率的子带间发射器被不断的改进，而无法实现足够强大的粒子数反转仍然是THz激光器的Zda困难。2001年，通过实验证实相干共振隧穿对于加快电子离开较低能级比非相干连续隧穿更为有效，这是由于两个能量间隔较窄的子带间有强烈的空间重叠且电子输运效率被子带间快速的电子-电子散射所提高。在2002年，diyi台工作于THz波段的量子级联激光器被研制出来。此激光器是在半导体异质结构GaAs/AlGaAs导带中子带间跃迁基础上THz激光器，标准发射波长4.4THz，在50k温度下电流密度阈值为几百A/cm2，可以达到大于2mW的高输出功率。

　　THz量子级联激光器的产生与发展解决了长久以来THz光源缺乏的问题，使THz频率光谱的广泛应用成为可能。但由于目前THz量子级联激光器的工作温度还较低，对实际应用有一定困难，实现室温下的THz激射将成为今后研究的ZD。

量子级联激光器的国内研究

　　近年来，我国的科研工作者也对量子级联激光器的原理与制造进行了研究。ZG科学院半导体研究所已自行研制出中红外InGaAs/InAlAs量子级联激光器。此激光器采用平板波导结构，其波导芯主要结构由25级级联式耦合垂直跃迁三耦合InAlAs量子阱激射有源区及InGaAs/InAlAs超晶格弛豫/注入区构成。在80K时阈值电流为0.，激射波长为5μm。量子级联激光器的自行研制成功使我国获得了有效的红外激光光源，对相关研究领域做出了贡献。

　　量子级联激光器的产生以带结构工程学和共振隧穿的发展为基础，其核心结构半导体异质结构由分子束外延技术生长。量子级联激光器是子带间跃迁激光器，其工作原理与传统二极管激光器的工作原理有本质不同，使其激射波长可覆盖大部分中红外和部分远红外光谱区域。