量子級聯激光器的發(fā)展歷程

探查衣服內的武器和違禁品，大家的固有思維可能會聯想到X光，但其實當今最佳手段之一要推太赫茲成像探測，這種新發(fā)展起來的技術，正在對未來的生活、醫(yī)療和安防產生巨大的影響。太赫茲光譜研究成像技術的發(fā)展，將使安保進入一種嶄新的境界。

這種頻率在0.1~10THz范圍內的太赫茲波，波長是30μm~3mm范圍，處于微波與紅外輻射之間。它作為一種電磁波，對非金屬片材如塑料、陶瓷、紙板、棉布等穿透性很大，對于水等極性物質會被吸收，對于金屬則幾乎無法穿透而被反射。這樣，平常攜帶的箱包、衣物在太赫茲射線下就會呈現透明狀態(tài)，而兇器中的金屬體和其他物體的形狀則會顯現，并且通過捕捉進入檢測的爆炸物、毒品等的光譜特征峰，形成太赫茲“指紋譜”，就能發(fā)現違禁品，大大提升了安全系數 。

那么這種具有巨大應用前景的太赫茲波從何產生呢？

量子級聯激光器

作為目前最重要的中遠紅外光源，量子級聯激光器頻率可拓展至太赫茲（THz），是重要的THz輻射源。

量子級聯激光器（Quantumcascade Laser，QCL）是基于半導體耦合量子阱子帶（一般為導帶）間的電子躍遷所產生的一種單極性光源。

量子指的是通過調整有源區(qū)量子阱的厚度可以改變子帶的能級間距，實現對波長的“裁剪”，另外也指器件的尺寸較小。級聯意思是有源區(qū)中上一組成部分的輸出是下一部分的輸入，一級接一級串聯在一起。激光器是指產生特定波長的光源。

作為全固態(tài)的電泵浦光源，QCL能實現高功率、窄線寬和連續(xù)發(fā)射， 是目前研究的熱門方向之一。

發(fā)展歷程

1971年，Kazarinov和Suris發(fā)現在半導體異質結中， 電子在離散的子帶間躍遷可以實現受激輻射， 這為QCL的誕生提供了理論依據。世界上第一個QCL于1994年誕生于貝爾實驗室，Faist J.和 Capasso F.等人采用InAlAs/InGaAs/InP材料體系研制成，從此，QCL各方面的研究得到了迅速的發(fā)展。其中，1997年分布反饋量子級聯激光器（DFB-QCL）研制成功，實現了波長為5.4μm和8μm的 DFB-QCL 的室溫工作；2002年波長為9.1μm量子級聯激光器成功問世并能夠在室溫連續(xù)工作，器件在292K時輸出功率達到17mW。這兩大發(fā)明可以被稱為QCL發(fā)展過程中兩個里程碑，充分奠定了后人在該領域取得巨大進展的基礎。

分類

量子級聯激光理論的創(chuàng)立及量子級聯激光器的發(fā)明，實現了半導體激光器的高特征溫度，獲得了高可靠性的中遠紅外波，以及高的輸出功率。一般而言，量子級聯激光器系統(tǒng)包括量子級聯激光模塊，控制模塊以及接口模塊。量子級聯激光器從結構上來說，可以分為分布反饋（Distributed Feedback）QCL，F-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity ）QCL 。

工作原理

與傳統(tǒng)半導體激光器相比，QCL最大的不同在于它是單極性激光器。QCL由多層量子阱結構組成，每個單層的量子阱結構都包括激發(fā)區(qū)和注入區(qū)。由于量子隧穿效應，電子會從一組耦合量子阱的注入區(qū)隧穿到另一組耦合量子阱的激發(fā)區(qū)，同時高能級的電子向低能級轉化，并釋放光子和能量。這樣，下一級同樣耦合量子阱結構的注入電子就來自上一級結構所發(fā)射出的光子，形成了QCL 的級聯結構。

量子級聯激光器的有源工作層由有源區(qū)和注入區(qū)組成一個周期，有源區(qū)是耦合三量子阱結構，注入區(qū)為遞變超晶格。圖中給出了有源區(qū)的電子子能級位置、波函數布局、注入區(qū)中的微帶、微帶隙位置及形狀。

圖中清楚地顯示了量子級聯激光器的有源工作層的基本物理過程。在外場作用下，有源區(qū)三個量子阱組成最低三個能級 n1，n2，n3。n3和n2能級為電子受激躍遷的上激發(fā)態(tài)能級和下激發(fā)態(tài)能級，通過對各阱的寬度和間隔進行調整，使n3和n2能級的能量差對應于所需激光器的激射波長，并使n2和n1能級的能量差E2－E1為一個光學聲子的能量；設計注入區(qū)中各阱的寬度和間隔，使在外場作用下注入區(qū)形成微帶和微帶隙，使微帶與同一周期有源區(qū)中的 n2 和n1能級對齊并與下一個周期有源區(qū)的n3能級對齊，使微帶隙與同一周期有源區(qū)n3能級對齊。在有源區(qū)n3能級上的電子受激躍遷到n2能級并發(fā)射光子，n2能級上的電子釋放一個光學聲子，通過共振輸運快速弛豫到n1能級，在聲子輔助下隧穿經過注入區(qū)的微帶注入到下一個周期有源區(qū)的上激發(fā)態(tài)。重復上一周期的輸運物理過程，一級一級傳遞下去，通過級聯過程實現一個電子可發(fā)射和級數N相等的N個光子。

量子級聯激光器是基于量子阱中導帶子帶間的躍遷，激光的產生來源于電子從子帶的高能級向低能級的躍遷，一個電子可以產生 N 個光子，激射波長是由子帶的高能級和低能級差決定的，可以通過改變有源區(qū)量子阱的寬度，從而改變子帶的高能級和低能級差，最終改變激射波長，理論預測可覆蓋幾微米到幾百微米以上很寬的波長范圍。

優(yōu)勢

波長覆蓋范圍寬

量子級聯激光器從波長設計原理上與常規(guī)半導體激光器不同，常規(guī)半導體激光器的激射波長受限于材料自身的禁帶寬度，而 QCL 的激射波長是由導帶中子帶間的能級間距決定的，可以通過調節(jié)量子阱/壘層的厚度改變子帶間的能級間距，從而改變 QCL 的激射波長。從理論上講，QCL 可以覆蓋中遠紅外到 THz 波段。

單個激光器激射波長連續(xù)可調諧

對于各種氣體的檢測，需要激光器的波長精確平滑地從一個波長調諧到另一個波長。對于特定氣體的檢測，波長更需要精確的調節(jié)以匹配其吸收線，也稱為分子“指紋”。另外，通過波長調節(jié)以匹配氣體的第二條吸收線，可以用來作為第一條吸收線是否正確的判斷標準。單個激光器的激射波長可以通過改變溫度和工作電流進行調諧，已有技術通過改變激光器的工作溫度，得到波長 9μm 激光器中心頻率 0.9%的調諧范圍。而使用外置光柵，可以得到更寬的波長調諧范圍。

量子級聯激光器輸出功率較高

比起中紅外波段其它光源，QCL 的輸出功率較高。不同的激光氣體檢測應用中會需要不同的功率，故激光器的高功率工作是非常必要的。改變工作電流就可以改變激光器的輸出功率，高功率的激光器能夠提供的功率范圍大，可以滿足更多的應用場景。QCL 輸出功率較高的原因可以歸結于其本身的有源區(qū)結構設計，其電子利用效率較高。理論上一個電子可以產生與有源區(qū)級數相同的光子數，從而內量子效率較高，輸出的功率也就越大。而常規(guī)的半導體激光器中，一個電子在與空穴相遇后僅輻射出一個光子。

閾值電流密度較低

常規(guī)半導體激光器是雙極性器件，導帶中的電子與價帶中的空穴復合生成光子，而量子級聯激光器是單極性器件，只靠導帶中子帶間電子的躍遷產生光子，如右圖所示，電子躍遷的始態(tài)與終態(tài)的曲線的曲率相同，這樣形成的增益譜很窄而且對稱，是量子級聯激光器能夠低閾值工作的一個原因。當然，QCL 的閾值電流密度也與有源區(qū)設計，材料生長以及器件結構有關。

尺寸較小

量子級聯激光器的尺寸較小，如右圖所示，量子級聯激光器管芯的長度一般為 3mm，隨著激光器性能提高，可以將其封裝在方盒內，從而方便地移動和操作。

應用

由于其獨特的結構和優(yōu)異的性能，量子級聯激光器作為最重要的中紅外光源發(fā)揮著巨大的作用，同時頻率可拓展至太赫茲（THz）波段，也是重要的THz輻射源，本文開頭所述就是其廣泛應用之一。以下為電磁波頻段示意圖和各個頻段的應用。大多數原子、分子轉動振動躍遷在中紅外波段具有很強的特征吸收譜線，因此單模、寬波長調諧中紅外激光器在毒品和爆炸物監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)學診斷等方面占有十分重要的地位，被認為是最理想的半導體吸收光譜儀光源。

隨著太赫茲QCL性能的進一步提高，其將具有更廣泛的應用。如，可以利用太赫茲QCL做成像設備，與微波相比，由于太赫茲波的波長短，具有更高的能量，穿透能力更強，成像也更清晰；太赫茲QCL還可用于太赫茲通信，由于太赫茲波段的頻帶寬是微波的 1000 倍，因此太赫茲通信有很廣闊的應用前景。近年來，太赫茲雷達因其具有信號帶寬大、分辨力高的優(yōu)勢，逐漸成為目標檢測和識別的重要設備，太赫茲雷達觀測的行人微多普勒特征可用于行人的檢測和識別、無人車和智能駕駛等。

結語

經過以上介紹，相信大家對量子級聯激光器有了一定的了解。其帶來的太赫茲波以及引申而來的太赫茲科學技術將會帶來一場技術變革，我們期待著更先進技術的出現。

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