量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum cascade laser, QCL)是一種利用能帶級(jí)聯(lián)機(jī)制實(shí)現(xiàn)激光輸出的半導(dǎo)體激光器。相對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，QCL具有更寬的工作波長(zhǎng)范圍、更高的功率和更窄的譜線(xiàn)寬度等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于紅外光譜區(qū)域的探測(cè)和成像。
量子級(jí)聯(lián)激光器
工作原理
QCL是基于一系列由不同寬度的量子阱組成的超晶格結(jié)構(gòu)，并通過(guò)能帶級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)電子躍遷從而實(shí)現(xiàn)激射。具體來(lái)說(shuō)，QCL中的每個(gè)量子阱都包含多個(gè)井，每個(gè)井都被限制在一個(gè)很小的空間范圍內(nèi)，使得電子的能量是量子化的。QCL的超晶格結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為電子需要在不同的能級(jí)之間穿越以完成電子躍遷過(guò)程。這種能帶級(jí)聯(lián)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)高效的電子注入和抽運(yùn)，同時(shí)也可以避免吸收和散射損失。
當(dāng)施加電壓時(shí)，在單個(gè)阱中的電子會(huì)通過(guò)躍遷從一個(gè)能級(jí)到另一個(gè)能級(jí)，最終到達(dá)與相鄰阱中的能級(jí)匹配的能級(jí)。這個(gè)過(guò)程中，電子躍遷釋放出一個(gè)光子，并且該光子的能量是與電子躍遷前后的能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的。通過(guò)將多個(gè)阱組合在一起，可以形成一個(gè)量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)阱都被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光輸出。因此，QCL具有廣泛的工作波長(zhǎng)范圍。
優(yōu)點(diǎn)
與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器相比，QCL有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(1)更寬的工作波長(zhǎng)范圍： QCL能夠?qū)崿F(xiàn)從近紅外到遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)的連續(xù)波輸出，包括短波紅外(SWIR)，中波紅外(MWIR)和長(zhǎng)波紅外(LWIR)等波段。
(2)更高的功率：QCL的超晶格結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效的注入和抽運(yùn)，使得QCL具有非常高的功率密度，達(dá)到了千瓦級(jí)的水平。
(3)更窄的譜線(xiàn)寬度：QCL的激光輸出具有非常窄的譜線(xiàn)寬度，通常只有幾納米左右，這使得QCL在分辨率要求較高的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。
(4)可調(diào)諧性：通過(guò)調(diào)整量子阱的設(shè)計(jì)和電壓的施加，可以實(shí)現(xiàn)QCL的波長(zhǎng)可調(diào)諧。
應(yīng)用
由于其廣泛的工作波長(zhǎng)范圍和其他優(yōu)點(diǎn)，QCL在很多應(yīng)用領(lǐng)域都有著潛在的用途。以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：
(1)光譜學(xué)：QCL可以用于紅外吸收光譜分析，例如氣體檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)成像。
(2)激光雷達(dá)/Lidar：QCL作為光源可以用于激光雷達(dá)系統(tǒng)中，特別是在自動(dòng)駕駛汽車(chē)、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。
