量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段新型單極半導(dǎo)體器件，其工作原理是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿，與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。

量子級(jí)聯(lián)激光器的功能

　　量子級(jí)聯(lián)激光器是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。

　　在量子級(jí)聯(lián)激光器中，出射激光波長(zhǎng)僅取決于導(dǎo)帶子帶的能量間隔，因此可以獲得中長(zhǎng)波激光;而且在同種材料體系中，可以通過半導(dǎo)體厚度和組分的能帶工程，改變各量子阱的寬度和間隔，改變躍遷能級(jí)之間的能量間隔ΔEc，改變出射激光的波長(zhǎng)。

　　另一方面，在量子級(jí)聯(lián)激光器中，電子在發(fā)射激光后，仍保持在導(dǎo)帶中;電子可以通過注入到相鄰的有源區(qū)，再次發(fā)射光子。為了得到光子的這種級(jí)聯(lián)發(fā)射，有源區(qū)和電子注入?yún)^(qū)交替，并加適當(dāng)偏壓，形成能量階梯，每一階都發(fā)射光子，這是量子級(jí)聯(lián)激光器可以高功率工作的主要原因。

　　不同於傳統(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，量子級(jí)聯(lián)激光器受激輻射過程只有電子參與，激射波長(zhǎng)的選擇可通過有源區(qū)的勢(shì)阱和勢(shì)壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。量子級(jí)聯(lián)激光器開創(chuàng)了中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的先河。因此，它在紅外通信、遠(yuǎn)距離探測(cè)、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過程監(jiān)測(cè)、分子光譜研究、無(wú)損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很大的應(yīng)用前景。

量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用

　　量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用在于中波紅外和長(zhǎng)波紅外(包含THz)頻段可以得到的適當(dāng)功率的激光，以及半導(dǎo)體激光技術(shù)體制帶來(lái)良好的適裝性。量子級(jí)聯(lián)激光器的應(yīng)用領(lǐng)域包括：紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等。

　　1、紅外對(duì)抗系統(tǒng)

　　定向紅外對(duì)抗(DIRCM)是將紅外干擾光源的能量集中在導(dǎo) 彈導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)，干擾或飽和紅外導(dǎo)引頭上的探測(cè)器和電路，使導(dǎo) 彈丟失目標(biāo)，從而保護(hù)飛機(jī)免受紅外制導(dǎo)導(dǎo) 彈威脅。

　　量子級(jí)聯(lián)激光器由于體積小、重量輕，可室溫工作;與2.0m或1.6m固體激光器+OPO技術(shù)體制的干擾激光源相比，電光轉(zhuǎn)換效率高得多，具有更加良好的適裝性，工作波長(zhǎng)更適合調(diào)諧在中波紅外制導(dǎo)武器的峰值工作波段內(nèi)。量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)上已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。

　　2011年7月，Daylight Solutions公司公布消息稱基于量子級(jí)聯(lián)激光器的紅外干擾機(jī)通過了美國(guó)空軍的測(cè)試，驗(yàn)證了干擾機(jī)可以有效保護(hù)大型飛機(jī)、小型飛機(jī)和旋翼直升機(jī)免受對(duì)付紅外制導(dǎo)武器(如肩扛式空防武器等)的威脅。

　　2、痕量氣體檢測(cè)

　　激光光譜檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)痕量氣體檢測(cè)的主要手段。溫室效應(yīng)氣體CO2、CH4、N2O等，以及神經(jīng)毒氣、糜爛毒氣、爆 炸物等氣體，與疾病診斷如哮喘、潰瘍、腎、肝、胸、肺、糖尿病、器官排異、精神分裂等有關(guān)的特征氣體，其基頻吸收譜線均落在2-14m波段內(nèi)。

　　基于單模寬光譜調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種痕量氣體檢測(cè)，具有體積小、重量輕、檢測(cè)速度快、適裝性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、YL診斷、太空探索等領(lǐng)域?；诹孔蛹?jí)聯(lián)激光器的紅外光譜檢測(cè)技術(shù)已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)。

　　3、THz通信

　　太赫茲(THz)通常是指頻率在0.1～10THz(波長(zhǎng)為0.03～3mm)的電磁波，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。THz通信是未來(lái)THz領(lǐng)域的重要應(yīng)用，具有大氣不透明、帶寬寬、天線小、定向性好、安全性高和散射小等特點(diǎn)，決定了其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括衛(wèi)星間星際通信、同溫層內(nèi)空對(duì)空通信、短程地面無(wú)線局域網(wǎng)、短程安全大氣通信以及發(fā)展THz通信理論。

　　關(guān)于THz軍事通信的研究計(jì)劃也層出不窮，如：美國(guó)航空航天局(NASA)、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室實(shí)驗(yàn)室(AFOSR)和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的傳感器研究部研究空軍成像，通信和預(yù)JY的緊湊創(chuàng)新的SiGe基THz源和探測(cè)器，歐盟第五框架計(jì)劃資助的WANTED工程及NanoTera工程。

　　目前THz源發(fā)射器的研究主要有THz-QCL、差頻發(fā)生器(DFG)、參量振蕩器(TPO)及其它THz源發(fā)生器。在這些THz發(fā)射器中，THz-QCL具有電光轉(zhuǎn)換效率高，體積小、重量輕、適裝性好等優(yōu)點(diǎn)，是量子級(jí)聯(lián)激光器的重要發(fā)展方向。

　　根據(jù)量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展曲線的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，當(dāng)前量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)業(yè)應(yīng)處于產(chǎn)品化的關(guān)鍵階段，國(guó)際企業(yè)已經(jīng)基本完成技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)企業(yè)開展量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)研究，時(shí)不容緩，機(jī)遇和挑戰(zhàn)同在。