量子級聯(lián)激光器不同于傳統(tǒng)P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器，是一種基于子帶間躍遷的新型激光器。由于量子級聯(lián)激光器有著良好的波長可調(diào)性，有著廣泛的應(yīng)用前景，包括痕量氣體檢測、太赫茲通信、吸收測量研究、空腔衰蕩光譜研究、光聲光譜研究以及藥物、爆 炸物檢測等多方面的應(yīng)用。

量子級聯(lián)激光器的工作原理

　　量子級聯(lián)激光器由量子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基于帶結(jié)構(gòu)工程學(xué)設(shè)計且由分子束外延(MBE)技術(shù)生長。它是單極型激光器，只依賴一種載流子，在有外加電場的情況下，利用電子量子隧穿通過由一組耦合量子阱構(gòu)成的注入?yún)^(qū)，到達由另一組耦合量子阱構(gòu)成的有源區(qū)，導(dǎo)帶激發(fā)態(tài)子能級電子共振躍遷到基態(tài)釋放能量，發(fā)射光子并隧穿到下一級，成為下一級相似結(jié)構(gòu)的注入電子，這樣一級一級傳遞下去，經(jīng)過多次的子帶間躍遷，使其在光腔中達到激射所需增益，形成激光。

　　量子級聯(lián)激光器激射波長取決于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由量子限制效應(yīng)決定的兩個激發(fā)態(tài)之間的能量差，而與半導(dǎo)體材料的能隙無關(guān)。因此，量子級聯(lián)激光器的發(fā)明被視為半導(dǎo)體激光理論的一次革命和里程碑。量子級聯(lián)激光理論的創(chuàng)立和量子級聯(lián)激光器的發(fā)明使中遠紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導(dǎo)體激光器的實現(xiàn)成為可能。

　　如上所述，量子級聯(lián)激光器的重要技術(shù)意義在于其波長。波長完全取決于量子限制效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)阱寬可調(diào)節(jié)激射波長。用同種異構(gòu)材料，可跨越從中紅外至次千米波區(qū)域很寬的一個光譜范圍，其中一部分光譜對于二級管激光器是不易獲得的。

　　量子級聯(lián)激光器利用源于量子限制效應(yīng)的分立電子狀態(tài)，相應(yīng)的能量子帶幾乎是平行的。結(jié)果導(dǎo)致電子發(fā)生輻射躍遷至更低子帶(例如從n=3到n=2)，所發(fā)射的所有光子有相同的頻率υ，能量為hv=E3-E2，這里h是普朗克常量。如果粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在這些激發(fā)態(tài)中實現(xiàn)，即可產(chǎn)生激射發(fā)光。

量子級聯(lián)激光器的特點

　　與常規(guī)半導(dǎo)體激光器相比，其量子級聯(lián)激光器特點是多方面的。主要包括：

　　1、電子利用效率高：

　　常規(guī)半導(dǎo)體激光器的電子一旦與空穴相遇輻射出光子，電子的使命就完成，而量子級聯(lián)激光器是將有源區(qū)一級接一級串聯(lián)在一起的，同一個電子可以重復(fù)利用，順序產(chǎn)生光子，理論上一個電子可以產(chǎn)生與級數(shù)相同的光子數(shù)，內(nèi)量子效率會很高。

　　2、中遠紅外波段且波長可調(diào)：

　　決定量子級聯(lián)激光器激射波長的子帶間距可通過半導(dǎo)體“能帶工程”進行調(diào)節(jié)。如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等;理論計算可以通過自洽求解薛定謬方程和泊松方程，蒙特卡洛法等方法設(shè)計和優(yōu)化;而實際器件的性能除了和這些設(shè)計參數(shù)密切相關(guān)外，還和實際生長的材料的質(zhì)量、界面的陡峭程度，生長速率、摻雜等控制效果等密切相關(guān)。

　　由于不需要考慮空穴的情況，而且激射波長可以隨材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計而隨意可調(diào)，甚至通過人為的設(shè)計理論上量子級聯(lián)激光器的波長可以覆蓋中遠紅外的全部波長。大大避免了常規(guī)的半導(dǎo)體激光器導(dǎo)帶價帶間電子-空穴復(fù)合時激射波長主要受材料禁帶寬度限制的很大的局限性。

　　3、增益譜窄：

　　與常規(guī)半導(dǎo)體激光器光子是由導(dǎo)帶電子和價帶空穴復(fù)合產(chǎn)生光子不同，量子級聯(lián)激光器是單極性器件，只靠導(dǎo)帶電子產(chǎn)生光子，載流子躍遷的始態(tài)和終態(tài)具有相同曲率(如果忽略非拋物線性影響)，聯(lián)合態(tài)密度類似于δ函數(shù)，增益譜很窄且對稱，同時避免了帶間激光器受聯(lián)合態(tài)密度限制的增益飽和限制，可望得到低閾值電流密度。

　　4、量子級聯(lián)激光器的閾值電流和光譜線寬對溫度改變不敏感：

　　這也是由于量子級聯(lián)激光器子帶間躍遷的基本特性所決定的。常規(guī)半導(dǎo)體激光器中參與躍遷的電子和空穴分布在一定的能量范圍內(nèi)，且分布是對溫度敏感的，在長波長，增強的俄歇效應(yīng)限制了常規(guī)半導(dǎo)體激光器的高溫運行。而量子級聯(lián)激光器幾近平行的子帶不易產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，所以在理論上對溫度不敏感。

　　5、超高響應(yīng)速率：

　　因為量子級聯(lián)激光器子帶間的弛豫時間與普通半導(dǎo)體激光器的帶間復(fù)合時間相比短的多，所以，量子級聯(lián)激光器的響應(yīng)要更快。