量子級聯(lián)激光器(Quantum cascade laser, QCL)是一種利用能帶級聯(lián)機(jī)制實現(xiàn)激光輸出的半導(dǎo)體激光器。相對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，QCL具有更寬的工作波長范圍、更高的功率和更窄的譜線寬度等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于紅外光譜區(qū)域的探測和成像。
量子級聯(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)，并通過能帶級聯(lián)實現(xiàn)電子躍遷從而實現(xiàn)激射。具體來說，QCL中的每個量子阱都包含多個井，每個井都被限制在一個很小的空間范圍內(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)計為電子需要在不同的能級之間穿越以完成電子躍遷過程。這種能帶級聯(lián)機(jī)制可以實現(xiàn)高效的電子注入和抽運(yùn)，同時也可以避免吸收和散射損失。
當(dāng)施加電壓時，在單個阱中的電子會通過躍遷從一個能級到另一個能級，最終到達(dá)與相鄰阱中的能級匹配的能級。這個過程中，電子躍遷釋放出一個光子，并且該光子的能量是與電子躍遷前后的能級差相對應(yīng)的。通過將多個阱組合在一起，可以形成一個量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每個阱都被設(shè)計為產(chǎn)生不同波長的激光輸出。因此，QCL具有廣泛的工作波長范圍。
優(yōu)點(diǎn)
與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器相比，QCL有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
(1)更寬的工作波長范圍： 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)到了千瓦級的水平。
(3)更窄的譜線寬度：QCL的激光輸出具有非常窄的譜線寬度，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。
(4)可調(diào)諧性：通過調(diào)整量子阱的設(shè)計和電壓的施加，可以實現(xiàn)QCL的波長可調(diào)諧。
應(yīng)用
由于其廣泛的工作波長范圍和其他優(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，特別是在自動駕駛汽車、機(jī)器人和無人機(jī)等領(lǐng)域。
