量子级联激光器及其应用的研究进展
发布时间：2021-12-03
量子级联激光器（QCL）是一种基于量子阱中子带间电子跃迁的半导体激光器，光子能量取决于量子阱的厚度而非材料基本带隙的宽度，因此对材料层厚度进行量子裁剪即可调节激光输出波长。QCL结构包含多层量子阱，每层量子阱都包括注入区和有源区，由于量子隧穿效应，电子跃迁过程中会从一个周期的注入区隧穿到下一个周期的有源区，然后高能级的电子到达低能级，同时释放出光子。在整个过程中只有电子参与，所以QCL具有单极性，输出激光是单向偏振的。
QCL的发展除了体现在工作温度适应性上，还包括波长/波段的细分和扩展。材料技术和工艺的进步推动了QCL的发展，随着器件在室温下运行的输出功率越来越高、单频特性越来越好、输出波长不断拓展，QCL在很多领域中的应用也越来越广泛，其面临的不断提高的技术指标要求也牵引着QCL技术的进步。
据麦姆斯咨询报道，近期，空军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室邓凯等人在《光电技术应用》期刊上发表了以“量子级联激光器及其应用的研究进展”为主题的综述论文。文章回顾了QCL的发展历史，以中红外、长波红外和太赫兹等典型波段的QCL为例描述了材料和器件技术的研究进展，介绍了QCL在物质成分探测、自由空间光通信、定向红外对抗等领域的应用研究情况，归纳了QCL技术的发展趋势。
目前国内外的很多研究机构在QCL的研究上投入了大量的资源，推动了QCL技术的长足发展。从激光发射谱的角度，QCL可分为中红外波段、长波红外波段和太赫兹波段。
世界上第一只QCL即工作在中红外波段，近年来MIR-QCL的发展最为迅速，有力地推动了QCL的商业化。在MIR-QCL的研究方面，国内外研究机构近年来取得了丰硕的研究成果，其中国外机构中以美国西北大学为领头羊，，俄罗斯的约飞研究所等机构的研究进展也较快；国内机构中，中科院半导体研究所在MIR-QCL的研究上成果丰硕。
LWIR-QCL的输出波长在7μm以上、太赫兹波段以下，与MIR-QCL相比，LWIR-QCL的插头效率和输出功率更低，导致其实用化程度更低一些。在LWIR-QCL的研究上，国外和国内处于领先地位的是美国西北大学和中国科学院半导体研究所，俄罗斯约飞研究所等机构处于第二梯队。
太赫兹波段一般指频率为100GHz到10THz、波长在3mm到30μm的电磁波，目前已在THz-QCL器件上实现的频率范围大致为0.8~5.6THz。相对于其他的太赫兹源产生方式，QCL的优势在于体积更小、能耗更低、可调谐等。与中、长波红外QCL一样，工作温度和输出功率是评估QCL光电性能的主要标准。在THz-QCL的研究上，美国西北大学和日本滨松公司的技术水平相对较高，此外意大利等国家的科研机构也取得了很多研究成果。
日本滨松公司非线性太赫兹QCL的分布式
随着QCL材料和器件技术的发展，国内外研究机构针对QCL在物质成分探测、环境科学、医学领域、自由空间光通信、定向红外对抗等领域的应用上进行了大量的研究，在部分细分领域已经实现了QCL的实用化。
西北大学中红外自由空间光通信系统示意图
QCL技术应用方向与发展趋势表
QCL是红外激光领域中的一个重要的研究方向，因其可在中红外波段、长波红外波段和太赫兹波段工作的特性，在物质探测、自由空间光通信和定向红外对抗等军、民领域具有广阔的应用前景，但QCL还需要继续在单管输出功率等方向继续提升。通过对该技术和应用的梳理，归纳其技术发展趋势，为相关领域的研究人员提供参考。
来源：MEMS、红外芯闻
