量子級聯(lián)激光器已被證明與傳統(tǒng)的二極管激光器具有不同的發(fā)光原理，它是在子帶間躍遷基礎(chǔ)上的一種新型激光器。在理論上量子級聯(lián)激光器的激射波長可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

量子級聯(lián)激光器的發(fā)明

　　在80年代，對于子帶間激光器有很多嘗試，但在90年代初大部分已被放棄。在貝爾實(shí)驗(yàn)室，關(guān)于制造這樣一個(gè)電力泵浦的工作開始于1991年，是在Jerome Faist加入Capasso的小組之后，并于1994年初取得了成功，他們發(fā)明了diyi臺量子級聯(lián)激光器。

　　1997年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明并展示了超晶格活躍區(qū)量子級聯(lián)激光器，此激光器的發(fā)光躍遷發(fā)生在寬的超晶格子帶之間。這種激光器的高電流負(fù)載能力，對于同樣的級數(shù)可以達(dá)到更高的光功率。此外，這種設(shè)計(jì)還有其它的好處，比如使子帶間弛豫時(shí)間與子帶內(nèi)弛豫時(shí)間比率很大，從而自動(dòng)的保證了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

　　在原始的超晶格設(shè)計(jì)中，活躍區(qū)是被摻雜的，但這種設(shè)計(jì)卻導(dǎo)致了高閾值。為解決這個(gè)問題，貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種有空間變化壁壘的非摻雜超晶格活躍區(qū)。當(dāng)加上適當(dāng)數(shù)量級的電場后，不同阱的能量狀態(tài)產(chǎn)生共振和雜交，這些能級被加寬并產(chǎn)生子帶。此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗沟妹}沖在相對低的閾值時(shí)就可在室溫下工作，并且峰值光功率達(dá)到了數(shù)百千瓦。此外，這種設(shè)計(jì)對于長波長激射也是有幫助的。

　　在非摻雜超晶格活躍區(qū)激光器基礎(chǔ)上，激射波長在2001年被擴(kuò)展到24μm。還有另外兩個(gè)關(guān)于超晶格量子級聯(lián)激光器的革新值得被提及。其中之一是“無注入?yún)^(qū)”激光器，其中注入?yún)^(qū)的作用被一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的雙量子阱阱間躍遷超晶格活躍區(qū)所取代。這種激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是活躍區(qū)更加緊湊且可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光學(xué)限制。另一個(gè)提高超晶格量子級聯(lián)激光器工作性能的設(shè)計(jì)由Gaetano Scamarcio提出，這個(gè)關(guān)于發(fā)射區(qū)的新穎設(shè)計(jì)允許電子進(jìn)入激發(fā)子帶的高能態(tài)。超晶格活躍區(qū)的應(yīng)用對于量子級聯(lián)激光器的發(fā)展是一個(gè)重要里程碑，它不僅提高了發(fā)射功率，也為較長波長激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

THz量子級聯(lián)激光器

　　對于THz波段，由于其廣泛的應(yīng)用前景，如在化學(xué)探測和天文學(xué)醫(yī)學(xué)成像方面的應(yīng)用，而引起了人們的極大興趣。但由于大部分常見激光器難以實(shí)現(xiàn)THz激射，使得THz光源成為一個(gè)亟待解決的問題。1997年，華裔科學(xué)家胡清研制出了在子帶間躍遷基礎(chǔ)上的電力泵浦可調(diào)THz發(fā)射器為以后THz量子級聯(lián)激光器的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。胡清等人在1999年通過向阱材GaAs中精確的加入微量Al，在得到三能級系統(tǒng)的同時(shí)又保持相對的窄線寬，通過E3和E2之間的阱間躍遷，得到了ZX頻率在2.57THz的自然發(fā)射。

　　工作于THz頻率的子帶間發(fā)射器被不斷的改進(jìn)，而無法實(shí)現(xiàn)足夠強(qiáng)大的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)仍然是THz激光器的Zda困難。2001年，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)相干共振隧穿對于加快電子離開較低能級比非相干連續(xù)隧穿更為有效，這是由于兩個(gè)能量間隔較窄的子帶間有強(qiáng)烈的空間重疊且電子輸運(yùn)效率被子帶間快速的電子-電子散射所提高。在2002年，diyi臺工作于THz波段的量子級聯(lián)激光器被研制出來。此激光器是在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaAs/AlGaAs導(dǎo)帶中子帶間躍遷基礎(chǔ)上THz激光器，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波長4.4THz，在50k溫度下電流密度閾值為幾百A/cm2，可以達(dá)到大于2mW的高輸出功率。

　　THz量子級聯(lián)激光器的產(chǎn)生與發(fā)展解決了長久以來THz光源缺乏的問題，使THz頻率光譜的廣泛應(yīng)用成為可能。但由于目前THz量子級聯(lián)激光器的工作溫度還較低，對實(shí)際應(yīng)用有一定困難，實(shí)現(xiàn)室溫下的THz激射將成為今后研究的ZD。

量子級聯(lián)激光器的國內(nèi)研究

　　近年來，我國的科研工作者也對量子級聯(lián)激光器的原理與制造進(jìn)行了研究。ZG科學(xué)院半導(dǎo)體研究所已自行研制出中紅外InGaAs/InAlAs量子級聯(lián)激光器。此激光器采用平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其波導(dǎo)芯主要結(jié)構(gòu)由25級級聯(lián)式耦合垂直躍遷三耦合InAlAs量子阱激射有源區(qū)及InGaAs/InAlAs超晶格弛豫/注入?yún)^(qū)構(gòu)成。在80K時(shí)閾值電流為0.，激射波長為5μm。量子級聯(lián)激光器的自行研制成功使我國獲得了有效的紅外激光光源，對相關(guān)研究領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。

　　量子級聯(lián)激光器的產(chǎn)生以帶結(jié)構(gòu)工程學(xué)和共振隧穿的發(fā)展為基礎(chǔ)，其核心結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)由分子束外延技術(shù)生長。量子級聯(lián)激光器是子帶間躍遷激光器，其工作原理與傳統(tǒng)二極管激光器的工作原理有本質(zhì)不同，使其激射波長可覆蓋大部分中紅外和部分遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域。