什么是量子级联激光器？

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量子级联激光器原理简介
量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同，它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，其发光波长由半导体能带结构来决定。QCL受激辐射过程只有电子参与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程，电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子“循环”起来，从而造就了一种令人惊叹的激光器，如图1所示。

图1.量子级联激光器工作原理示意图
量子级联激光器的特点
量子级联激光器应用的广泛性与它的半导体激光器特性（体积小、重量轻）是分不开的，同时，与常规的半导体激光器相比，量子级联激光器也具有自身的优点：
（1）激射波长容易调节。与常规半导体激光器的波长受材料的禁带宽度限制不同，量子级联激光器的激射波长是由导带中分立子能级的相对位置决定的，通过调节多量子阱/垒的厚度来改变激射波长，理论上量子级联激光器的波长可以覆盖中远红外的全部波长。
（2）增益谱窄。与常规半导体激光器光子是由导带电子和价带空穴复合产生光子不同，量子级联激光器是单极性器件，只靠导带电子产生光子，载流子跃迁的始态和终态具有相同曲率(如果忽略非抛物线性影响)，联合态密度类似于δ函数，增益谱很窄且对称，同时避免了带间激光器受联合态密度限制的增益饱和限制，可望得到低阈值电流密度。

图2.普通半导体激光器和量子级联激光器产生光子过程比较
（3）量子级联激光器的阈值电流和光谱线宽对温度改变不敏感。常规半导体激光器中参与跃迁的电子和空穴分布在一定的能量范围内，且分布是对温度敏感的，在长波长，增强的俄歇效应限制了常规半导体激光器的高温运行。而QCL几近平行的子带不易产生俄歇效应，所以在理论上对温度不敏感。
（4）电子利用效率高。常规半导体激光器的电子一旦与空穴相遇辐射出光子，电子的使命就完成，而量子级联激光器是将有源区一级接一级串联在一起的，同一个电子可以重复利用，顺序产生光子，理论上一个电子可以产生与级数相同的光子数，内量子效率会很高。
（5）超高响应速率。因为量子级联激光器子带间的弛豫时间与普通半导体激光器的带间复合时间相比短的多，所以，量子级联激光器的响应要更快。