量子级联激光器的原理|功能|应用

　　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。

　　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

　　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：

　　量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段新型单极半导体器件，其工作原理是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿，与通常的半导体激光器截然不同。

　　量子级联激光器是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。

　　在量子级联激光器中，出射激光波长仅取决于导带子带的能量间隔，因此可以获得中长波激光;而且在同种材料体系中，可以通过半导体厚度和组分的能带工程，改变各量子阱的宽度和间隔，改变跃迁能级之间的能量间隔ΔEc，改变出射激光的波长。

　　另一方面，在量子级联激光器中，电子在发射激光后，仍保持在导带中;电子可以通过注入到相邻的有源区，再次发射光子。为了得到光子的这种级联发射，有源区和电子注入区交替，并加适当偏压，形成能量阶梯，每一阶都发射光子，这是量子级联激光器可以高功率工作的主要原因。

　　不同於传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，量子级联激光器受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。量子级联激光器开创了中、远红外半导体激光器的先河。因此，它在红外通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟尘分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很大的应用前景。

　　量子级联激光器的应用在于中波红外和长波红外(包含THz)频段可以得到的适当功率的激光，以及半导体激光技术体制带来良好的适装性。量子级联激光器的应用领域包括：红外对抗、痕量气体检测、THz通信等。

　　1、红外对抗系统

　　定向红外对抗(DIRCM)是将红外干扰光源的能量集中在导 弹导引头视场内，干扰或饱和红外导引头上的探测器和电路，使导 弹丢失目标，从而保护飞机免受红外制导导 弹威胁。

　　量子级联激光器由于体积小、重量轻，可室温工作;与2.0m或1.