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量子级联激光器不同于传统P-N结半导体激光器,是一种基于子带间跃迁的新型激光器。由于量子级联激光器有着良好的波长可调性,有着广泛的应用前景,包括痕量气体检测、太赫兹通信、吸收测量研究、空腔衰荡光谱研究、光声光谱研究以及药物、爆 炸物检测等多方面的应用。
量子级联激光器由量子半导体结构构成,基于带结构工程学设计且由分子束外延(MBE)技术生长。它是单极型激光器,只依赖一种载流子,在有外加电场的情况下,利用电子量子隧穿通过由一组耦合量子阱构成的注入区,到达由另一组耦合量子阱构成的有源区,导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量,发射光子并隧穿到下一级,成为下一级相似结构的注入电子,这样一级一级传递下去,经过多次的子带间跃迁,使其在光腔中达到激射所需增益,形成激光。
量子级联激光器激射波长取决于半导体异质结构中由量子限制效应决定的两个激发态之间的能量差,而与半导体材料的能隙无关。因此,量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。
如上所述,量子级联激光器的重要技术意义在于其波长。波长完全取决于量子限制效应,通过调节阱宽可调节激射波长。用同种异构材料,可跨越从中红外至次千米波区域很宽的一个光谱范围,其中一部分光谱对于二级管激光器是不易获得的。
量子级联激光器利用源于量子限制效应的分立电子状态,相应的能量子带几乎是平行的。结果导致电子发生辐射跃迁至更低子带(例如从n=3到n=2),所发射的所有光子有相同的频率υ,能量为hv=E3-E2,这里h是普朗克常量。如果粒子数反转在这些激发态中实现,即可产生激射发光。
与常规半导体激光器相比,其量子级联激光器特点是多方面的。主要包括:
1、电子利用效率高:
常规半导体激光器的电子一旦与空穴相遇辐射出光子,电子的使命就完成,而量子级联激光器是将有源区一级接一级串联在一起的,同一个电子可以重复利用,顺序产生光子,理论上一个电子可以产生与级数相同的光子数,内量子效率会很高。
2、中远红外波段且波长可调:
决定量子级联激光器激射波长的子带间距可通过半导体“能带工程”进行调节。如改变量子阱或垒的厚度,材料的组分,外加偏压等;理论计算可以通过自洽求解薛定谬方程和泊松方程,蒙特卡洛法等方法设计和优化;而实际器件的性能除了和这些设计参数密切相关外,还和实际生长的材料的质量、界面的陡峭程度,生长速率、掺杂等控制效果等密切相关。
由于不需要考虑空穴的情况,而且激射波长可以随材料结构的设计而随意可调,甚至通过人为的设计理论上量子级联激光器的波长可以覆盖中远红外的全部波长。大大避免了常规的半导体激光器导带价带间电子-空穴复合时激射波长主要受材料禁带宽度限制的很大的局限性。
3、增益谱窄:
与常规半导体激光器光子是由导带电子和价带空穴复合产生光子不同,量子级联激光器是单极性器件,只靠导带电子产生光子,载流子跃迁的始态和终态具有相同曲率(如果忽略非抛物线性影响),联合态密度类似于δ函数,增益谱很窄且对称,同时避免了带间激光器受联合态密度限制的增益饱和限制,可望得到低阈值电流密度。
4、量子级联激光器的阈值电流和光谱线宽对温度改变不敏感:
这也是由于量子级联激光器子带间跃迁的基本特性所决定的。常规半导体激光器中参与跃迁的电子和空穴分布在一定的能量范围内,且分布是对温度敏感的,在长波长,增强的俄歇效应限制了常规半导体激光器的高温运行。而量子级联激光器几近平行的子带不易产生俄歇效应,所以在理论上对温度不敏感。
5、超高响应速率:
因为量子级联激光器子带间的弛豫时间与普通半导体激光器的带间复合时间相比短的多,所以,量子级联激光器的响应要更快。
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