量子级联激光器的发展历程

探查衣服内的武器和违禁品，大家的固有思维可能会联想到X光，但其实当今最佳手段之一要推太赫兹成像探测，这种新发展起来的技术，正在对未来的生活、医疗和安防产生巨大的影响。太赫兹光谱研究成像技术的发展，将使安保进入一种崭新的境界。

这种频率在0.1~10THz范围内的太赫兹波，波长是30μm~3mm范围，处于微波与红外辐射之间。它作为一种电磁波，对非金属片材如塑料、陶瓷、纸板、棉布等穿透性很大，对于水等极性物质会被吸收，对于金属则几乎无法穿透而被反射。这样，平常携带的箱包、衣物在太赫兹射线下就会呈现透明状态，而凶器中的金属体和其他物体的形状则会显现，并且通过捕捉进入检测的爆炸物、毒品等的光谱特征峰，形成太赫兹“指纹谱”，就能发现违禁品，大大提升了安全系数 。

那么这种具有巨大应用前景的太赫兹波从何产生呢？

量子级联激光器

作为目前最重要的中远红外光源，量子级联激光器频率可拓展至太赫兹（THz），是重要的THz辐射源。

量子级联激光器（Quantumcascade Laser，QCL）是基于半导体耦合量子阱子带（一般为导带）间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。

量子指的是通过调整有源区量子阱的厚度可以改变子带的能级间距，实现对波长的“裁剪”，另外也指器件的尺寸较小。级联意思是有源区中上一组成部分的输出是下一部分的输入，一级接一级串联在一起。激光器是指产生特定波长的光源。

作为全固态的电泵浦光源，QCL能实现高功率、窄线宽和连续发射， 是目前研究的热门方向之一。

发展历程

1971年，Kazarinov和Suris发现在半导体异质结中， 电子在离散的子带间跃迁可以实现受激辐射， 这为QCL的诞生提供了理论依据。世界上第一个QCL于1994年诞生于贝尔实验室，Faist J.和 Capasso F.等人采用InAlAs/InGaAs/InP材料体系研制成，从此，QCL各方面的研究得到了迅速的发展。其中，1997年分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）研制成功，实现了波长为5.4μm和8μm的 DFB-QCL 的室温工作；2002年波长为9.1μm量子级联激光器成功问世并能够在室温连续工作，器件在292K时输出功率达到17mW。这两大发明可以被称为QCL发展过程中两个里程碑，充分奠定了后人在该领域取得巨大进展的基础。

分类

量子级联激光理论的创立及量子级联激光器的发明，实现了半导体激光器的高特征温度，获得了高可靠性的中远红外波，以及高的输出功率。一般而言，量子级联激光器系统包括量子级联激光模块，控制模块以及接口模块。量子级联激光器从结构上来说，可以分为分布反馈（Distributed Feedback）QCL，F-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity ）QCL 。

工作原理

与传统半导体激光器相比，QCL最大的不同在于它是单极性激光器。QCL由多层量子阱结构组成，每个单层的量子阱结构都包括激发区和注入区。由于量子隧穿效应，电子会从一组耦合量子阱的注入区隧穿到另一组耦合量子阱的激发区，同时高能级的电子向低能级转化，并释放光子和能量。这样，下一级同样耦合量子阱结构的注入电子就来自上一级结构所发射出的光子，形成了QCL 的级联结构。

量子级联激光器的有源工作层由有源区和注入区组成一个周期，有源区是耦合三量子阱结构，注入区为递变超晶格。图中给出了有源区的电子子能级位置、波函数布局、注入区中的微带、微带隙位置及形状。

图中清楚地显示了量子级联激光器的有源工作层的基本物理过程。在外场作用下，有源区三个量子阱组成最低三个能级 n1，n2，n3。n3和n2能级为电子受激跃迁的上激发态能级和下激发态能级，通过对各阱的宽度和间隔进行调整，使n3和n2能级的能量差对应于所需激光器的激射波长，并使n2和n1能级的能量差E2－E1为一个光学声子的能量；设计注入区中各阱的宽度和间隔，使在外场作用下注入区形成微带和微带隙，使微带与同一周期有源区中的 n2 和n1能级对齐并与下一个周期有源区的n3能级对齐，使微带隙与同一周期有源区n3能级对齐。在有源区n3能级上的电子受激跃迁到n2能级并发射光子，n2能级上的电子释放一个光学声子，通过共振输运快速弛豫到n1能级，在声子辅助下隧穿经过注入区的微带注入到下一个周期有源区的上激发态。重复上一周期的输运物理过程，一级一级传递下去，通过级联过程实现一个电子可发射和级数N相等的N个光子。

量子级联激光器是基于量子阱中导带子带间的跃迁，激光的产生来源于电子从子带的高能级向低能级的跃迁，一个电子可以产生 N 个光子，激射波长是由子带的高能级和低能级差决定的，可以通过改变有源区量子阱的宽度，从而改变子带的高能级和低能级差，最终改变激射波长，理论预测可覆盖几微米到几百微米以上很宽的波长范围。

优势

波长覆盖范围宽

量子级联激光器从波长设计原理上与常规半导体激光器不同，常规半导体激光器的激射波长受限于材料自身的禁带宽度，而 QCL 的激射波长是由导带中子带间的能级间距决定的，可以通过调节量子阱/垒层的厚度改变子带间的能级间距，从而改变 QCL 的激射波长。从理论上讲，QCL 可以覆盖中远红外到 THz 波段。

单个激光器激射波长连续可调谐

对于各种气体的检测，需要激光器的波长精确平滑地从一个波长调谐到另一个波长。对于特定气体的检测，波长更需要精确的调节以匹配其吸收线，也称为分子“指纹”。另外，通过波长调节以匹配气体的第二条吸收线，可以用来作为第一条吸收线是否正确的判断标准。单个激光器的激射波长可以通过改变温度和工作电流进行调谐，已有技术通过改变激光器的工作温度，得到波长 9μm 激光器中心频率 0.9%的调谐范围。而使用外置光栅，可以得到更宽的波长调谐范围。

量子级联激光器输出功率较高

比起中红外波段其它光源，QCL 的输出功率较高。不同的激光气体检测应用中会需要不同的功率，故激光器的高功率工作是非常必要的。改变工作电流就可以改变激光器的输出功率，高功率的激光器能够提供的功率范围大，可以满足更多的应用场景。QCL 输出功率较高的原因可以归结于其本身的有源区结构设计，其电子利用效率较高。理论上一个电子可以产生与有源区级数相同的光子数，从而内量子效率较高，输出的功率也就越大。而常规的半导体激光器中，一个电子在与空穴相遇后仅辐射出一个光子。

阈值电流密度较低

常规半导体激光器是双极性器件，导带中的电子与价带中的空穴复合生成光子，而量子级联激光器是单极性器件，只靠导带中子带间电子的跃迁产生光子，如右图所示，电子跃迁的始态与终态的曲线的曲率相同，这样形成的增益谱很窄而且对称，是量子级联激光器能够低阈值工作的一个原因。当然，QCL 的阈值电流密度也与有源区设计，材料生长以及器件结构有关。

尺寸较小

量子级联激光器的尺寸较小，如右图所示，量子级联激光器管芯的长度一般为 3mm，随着激光器性能提高，可以将其封装在方盒内，从而方便地移动和操作。

应用

由于其独特的结构和优异的性能，量子级联激光器作为最重要的中红外光源发挥着巨大的作用，同时频率可拓展至太赫兹（THz）波段，也是重要的THz辐射源，本文开头所述就是其广泛应用之一。以下为电磁波频段示意图和各个频段的应用。大多数原子、分子转动振动跃迁在中红外波段具有很强的特征吸收谱线，因此单模、宽波长调谐中红外激光器在毒品和爆炸物监测、环境污染监测、医学诊断等方面占有十分重要的地位，被认为是最理想的半导体吸收光谱仪光源。

随着太赫兹QCL性能的进一步提高，其将具有更广泛的应用。如，可以利用太赫兹QCL做成像设备，与微波相比，由于太赫兹波的波长短，具有更高的能量，穿透能力更强，成像也更清晰；太赫兹QCL还可用于太赫兹通信，由于太赫兹波段的频带宽是微波的 1000 倍，因此太赫兹通信有很广阔的应用前景。近年来，太赫兹雷达因其具有信号带宽大、分辨力高的优势，逐渐成为目标检测和识别的重要设备，太赫兹雷达观测的行人微多普勒特征可用于行人的检测和识别、无人车和智能驾驶等。

结语

经过以上介绍，相信大家对量子级联激光器有了一定的了解。其带来的太赫兹波以及引申而来的太赫兹科学技术将会带来一场技术变革，我们期待着更先进技术的出现。

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