量子級聯(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)合受激輻射機制，QCL受激輻射過程只有電子參與，激射波長的選擇可通過有源區(qū)的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現(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)測和自由空間通信的理想光源，在公共安全、國家安全、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串接組成(通常大于500層)而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級聯(lián)激光器的出現(xiàn)開創(chuàng)了利用寬帶隙材料研制中、遠紅外半導(dǎo)體激光器的先河，在中、遠紅外半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史上樹立了新的里程碑。1994年Federico Capasso和同事卓以和等人在貝爾實驗室率先發(fā)明量子級聯(lián)激光器。這被視為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一次革命。2000年，我國科學(xué)家李愛珍（現(xiàn)任美國科學(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)體量子級聯(lián)激光器，從而使中國進入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國家行列。

工作原理

量子級聯(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)合受激輻射機制，其發(fā)光波長由半導(dǎo)體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，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)，從而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。

量子級聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢在于它的級聯(lián)過程，電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個過程再次發(fā)光。這個級聯(lián)過程使這些電子 “循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。

特點

由于量子級聯(lián)激光器是集量子工程和先進的分子束外延技術(shù)于一體，與常規(guī)的半導(dǎo)體激光器在工作原理上不同，其特點優(yōu)于普通激光器，因技術(shù)含量很高，相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的社會和經(jīng)濟價值。 據(jù)了解，量子級聯(lián)激光器是一個高難度的量子工程，特點是工作波長與所用材料的帶隙無直接關(guān)系，僅由耦合量子阱子帶間距決定，從而可實現(xiàn)對波長的大范圍剪裁。

許多基于量子級聯(lián)激光器的可調(diào)諧中紅外激光器(脈沖和紅外)在國外已經(jīng)進入工業(yè)化,是各國爭相研究的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

量子級聯(lián)激光器集量子工程和分子束外延技術(shù)于一體，是國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)突破將激活我國的民用市場。它在紅外通信、遠距離探測、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過程監(jiān)測、分子光譜研究、無損傷醫(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，波長選擇機制為藍色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

1.最簡單的結(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。通過最大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調(diào)諧（通過緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過快速注進電流加熱調(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，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過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作。