“量子级联激光器”(QCLs)是在电磁波谱的中红外部分发射的半导体激光器，1994年由贝尔实验室的Jerome Faist、Federico
Capasso、Deborah Sivco、Carlo Sirtori、Albert Hutchinson和Alfred Cho首次演示。
量子级联激光器技术
“量子级联激光器”(QCLs)是在电磁波谱的中红外部分发射的半导体激光器，1994年由贝尔实验室的Jerome Faist、Federico Capasso、Deborah Sivco、Carlo Sirtori、Albert Hutchinson和Alfred Cho首次演示。
与通过材料带隙的电子-空穴对重组而发射电磁辐射的典型带间半导体激光器不同，QCLs是单极的，激光发射是通过在半导体多量子阱异质结构的重复堆栈中使用子带间跃迁实现的。这个想法是由R.F. Kazarinov和R.A. Suris在1971年的论文“用超晶格在半导体中放大电磁波的可能性”中提出的。
在块状半导体晶体中，电子可能占据两个连续能带中的一个——价带，其中大量填充着低能电子；导带，其中少量填充着高能电子。这两个能带被一个带隙隔开，在这个带隙中没有允许电子占据的状态。传统的半导体激光二极管，当导带中的高能量电子与价带中的空穴重新结合时，通过单个光子发出光。因此，光子的能量以及激光二极管的发射波长由所使用的材料系统的带隙决定。
然而，QCL在其光学活性区不使用块半导体材料。相反，它由一系列周期性的不同材料组成的薄层组成，形成一个超晶格。超晶格在整个器件的长度上引入了一个变化的电势，这意味着在器件的长度上，电子占据不同位置的概率是变化的。这被称为一维多量子阱限制，导致允许能带分裂为若干离散的电子子带。通过适当的层厚度设计，可以实现系统中两个子带之间的粒子数反转，从而实现激光发射。由于系统中能级的位置主要由层厚度而不是材料决定，因此在同一材料系统中可以在很大范围内调节QCL的发射波长。
此外，在半导体激光二极管中，电子和空穴在穿过带隙重新组合后湮灭，不能再发挥光子产生的作用。然而，在单极QCL中，一旦电子经历了子带间跃迁并在超晶格的一个周期内发射光子，它可以通过隧道进入结构的下一个阶段，在那里可以发射另一个光子。当一个电子穿过QCL结构时，它会导致多个光子的发射，这一过程产生了级联，并使量子效率大于单位成为可能，从而产生比半导体激光二极管输出更高的功率。
D1个QCL是在GaInAs/AlInAs材料系统中制作的，晶格匹配于InP衬底这种特殊的材料系统的导带偏移量(量子阱深度)为520 meV。这些基于InP的器件在中红外光谱范围内达到了非常高的性能水平，实现了高于室温的高功率，连续的波发射。1998年，Sirtori等人实现了GaAs/AlGaAs QCLs，证明了QC概念并不局限于一个材料系统。这种材料系统的量子阱深度随势垒中铝的含量而变化。虽然基于GaAs的QCL在中红外波段的性能水平无法与基于InP的QCL相匹配，但它们已被证明在太赫兹频段非常成功。
QCLs的短波长限制是由量子阱的深度决定的，近年来，为了实现短波长发射，在具有非常深量子阱的材料系统中开发了QCLs。InGaAs/AlAsSb材料体系的量子阱深度为1.6 eV，并被用于制备3.05 μm的QCLsInAs/AlSb QCL的量子阱深度为2.1 eV，电致发光波长短至2.5 μm。
QCL还可以在传统上认为光学性能较差的材料上进行激光运行。间接带隙材料如硅在不同动量值下具有小的电子和空穴能量。对于带间光跃迁，载流子通过一个缓慢的中间散射过程改变动量，显著降低光发射强度。然而，子带间的光跃迁不依赖于导带和价带小值的相对动量，因此对Si/SiGe量子级联发射体提出了理论建议。在中红外和远红外波段，观察到非极性SiGe异质结构在价带和导带的子带间电致发光。
对量子级联增益材料进行处理以制备有用的发光器件的D1步是将增益介质限制在光波导中。这使得将发射的光引导成准直光束成为可能，并允许建立一个激光谐振器，这样光可以耦合回增益介质。
电介质材料通常沉积在沟槽中，引导注入电流到脊，然后整个脊通常涂上金，提供电接触，并在脊产生光时帮助消除热量。光从波导的分叉端发射出来，其活跃区域通常只有几微米的尺寸。常用的光波导有两种。脊波导是通过在量子级联增益材料上蚀刻平行沟槽来产生QC材料的孤立条纹，通常约10 um宽，几mm长。第二种波导类型是埋地异质结构。在这里，QC材料也被蚀刻产生一个孤立的脊。然而现在，新的半导体材料正在越过脊生长。在QC材料和过度生长的材料之间折射率的变化足以创建一个波导。介质材料也沉积在QC脊周围的杂草材料上，引导注入的电流进入QC增益介质。埋地异质结构波导在产生光时有效地从QC活性区域除去热量。
虽然量子级联增益介质可用于产生超发光结构中的非相干光，但它常用来与光腔结合形成激光器：
法布里-珀罗Fabry–Perot lasers
这是简单的量子级联激光器。首先用量子级联材料制备光波导以形成增益介质。然后，晶体半导体器件的两端裂开，在波导的两端形成两个平行的镜子，从而形成Fabry-Pérot谐振器。从半导体到空气界面的解理面上的剩余反射率足以创建一个谐振器。Fabry-Pérot量子级联激光器能够产生高功率，但在更高的工作电流下通常是多模态。波长主要可以通过改变QC装置的温度来改变。
分布式反馈Distributed feedback lasers
分布式反馈(DFB)量子级联激光器类似于Fabry-Pérot激光器，除了建立在波导顶部的分布式布拉格反射器(DBR)，以防止它发射到其他所需的波长。这就迫使激光器进行单模操作，即使在更高的工作电流下也是如此。DFB激光器主要可以通过改变温度来调谐，尽管通过脉冲DFB激光器可以获得调谐的有趣变化。在这种模式下，激光的波长在脉冲过程中迅速“啁啾”，允许快速扫描光谱区域。
外腔external cavity lasers
在外腔(EC)量子级联激光器中，量子级联器件作为激光增益介质。波导切面的一个或两个都有一层抗反射涂层，以克服解化面的光腔作用。然后将反射镜布置在QC装置外部的结构中，以创建光腔。如果在外腔中包含频率选择元件，就可以将激光发射减少到单一波长，甚至可以调整辐射。例如，衍射光栅已经被用来创建可调谐激光器，它可以调谐超过15%的中心波长
扩展调谐Extended tuning laser
利用单片集成元件来扩展量子级联激光器的调谐范围已有多种方法。集成加热器可以在固定的工作温度下将调谐范围扩展到中央波长的0.7%，上层结构光栅通过游标效应可以将调谐范围扩展到中央波长的4%，而标准DFB器件的调谐范围<0.1%。
应用
中红外量子级联激光器已经在许多领域得到了很好的应用。光谱的这个区域之所以有趣，是因为两个事实的结合。在这些波长下，大气(至少在一定程度上)是透明的，而且许多感兴趣的物种具有很强的基本吸收能力，这使得探测和识别它们成为可能。图1描绘了大气在可见光中通过电磁波谱的中红外部分的传输情况。重要的高透射区域存在于红外中部，可以利用这些波长传输功率，用于各种应用。自由空间通信、红外对抗、远程成像、信标和照明都由适当波长的QCL实现。图2是光谱的中红外部分的图，其中一些物种被放置在它们的强吸收发生的地方。中红外为那些希望探测、检测、成像或量化这些以及包括炸药、神经毒剂和毒素在内的许多其他物种提供了丰富的信息。以万亿分之一的范围或相似物种之间的区别是可能的。
图1，光通过大气从可见光到中红外线的传输，还指出了主要吸收的来源
图2, 感兴趣分子强吸收位置的图示
QCL的一个关键应用是远距离爆炸物检测。在这一发展中领域，研究人员已经设定了一个雄心勃勃的目标，那就是在50米以内的距离内用肉眼安全的激光探测和鉴别各种炸药的纳克数量。有许多战术被采用，一种方法是热成像。当一种化合物吸收红外光时，它将吸收的大部分光以各向同性的形式重新发射为热，这些热可以被红外相机成像。由于每个分析物都有一个独特的吸收光谱，当通过这些吸收调节中红外源时，每个都将有选择地加热，并可以通过分析产生的多光谱或高光谱数据立方体来明确地识别。
当量子级联激光器作为中红外光谱新技术的引擎时，它们也可以在新的性能水平上提供原始能量。已经证明单个室温设备的功率超过5W。将这种性能与坚固的封装相结合，使新一代红外对抗(IRCM)设备成为可能。在中红外“大气窗口”中工作的高功率固态激光器可以被指针跟踪器用来禁用地对空导弹上使用的热导机制，从而在战场上保护士兵。多个“插座”体系结构，其中一组QCL已被制成共线，已在军用加固包中进行了生产。这些单位可以生产超过15瓦，并已经完成了一系列严格的环境测试，包括直升机飞行测试。
关于生产商：
Alpes激光设计和制造的量子级联激光器QCL范围广泛，波长从4到14 μm，功率高达数百毫瓦。这包括FP, DFB，太赫兹，频率梳和中红外外部腔激光器。此外，Alpes提供独特的快速和广泛可调激光器与我们的ET和XT产品线。
上海昊量光电作为Sciospec在中国大陆地区代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。
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