量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，其發(fā)光波長由半導(dǎo)體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。

量子級(jí)聯(lián)激光器比其它激光器的優(yōu)勢在于它的級(jí)聯(lián)過程，電子從高能級(jí)跳躍到低能級(jí)過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個(gè)過程再次發(fā)光。這個(gè)級(jí)聯(lián)過程使這些電子 “循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。因此，量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器的特點(diǎn)

量子級(jí)聯(lián)激光理論的創(chuàng)立和量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明使中遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)成為可能。一般而言，量子級(jí)聯(lián)激光器系統(tǒng)包括量子級(jí)聯(lián)激光模塊，控制模塊以及接口模塊。量子級(jí)聯(lián)激光器從結(jié)構(gòu)上來說，可以分為分布反饋（Distributed Feedback）QCL，F(xiàn)-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity）QCL。量子級(jí)聯(lián)激光器由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)原理使其具有如下的獨(dú)特優(yōu)勢：

1.可以提供超寬的光譜范圍（mid IR to THz）。

2.極好的波長可調(diào)諧性。

3.很高的輸出功率，同時(shí)也可以工作在室溫環(huán)境下。

目前國際上已研制出3.6～19μm 中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前量子級(jí)聯(lián)激光器不但能以脈沖的方式工作，而且可以在連續(xù)工作的方式輸出大功率激光。激光模塊將QC 激光器裝進(jìn)一個(gè)氣密性封裝內(nèi)，最大限度的保護(hù)了激光器的性能和壽命。

量子級(jí)聯(lián)激光器的分類：

QC激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質(zhì)顯示為灰色，波長

選擇機(jī)制為藍(lán)色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。

1.最簡單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結(jié)構(gòu)中，切割面為激光提供反饋，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出。

2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多。通過最大范圍的溫度調(diào)諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調(diào)諧（通過緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）。

3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過10ms）。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作。

量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用

中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器作為一種高新技術(shù)有著非常重要的其他激光器無法替代的用途，包括：