量子级联激光器

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主要解决方法：
采用垂直跃迁有源区结构
结构特点：
受激辐射跃 迁过程的上下能 级在同一个量子 阱中，使得电子 的跃迁几率得到 了提高，从而使 QCL 获 得 更 大 的 增益。
耦合三量子阱垂直跃迁有源区结构
１９９７年贝尔实验室提出超晶格有源区结构,电子 在超晶格形成的微带中辐射跃迁产生，利用电子 在微带内的快速弛豫实现粒子数反转。与量子阱 有源区比较，超晶格有源区可承受更大的驱动电 流，从而可获得大的输出光功率； ２００１年Ｆａｉｓｔ小组分析了量子阱有源区结 构具有高注入效率的优势，但电子隧穿时间长、 排空速度慢，而超晶格有源区结构则具有微带排 空时间极快的优势，提出了由束缚态到连续态跃 迁的新思路。
如上图所示，活跃区能带呈现阶梯状。粒子 数反转在n=3和n=2激发态间形成。
大气通信 应用领域
痕量气体 检测应用 领域
非侵入式医 学诊断与红 外成像领域
主要应用方向
主要问题之一：
电子在穿越不同量子阱界面时。QCL性能受到量子阱界面缺陷、 粗糙散射影响，同时由于处于不同量子阱，导致产生跃迁的上下能 级波函数叠加较少，降低了受激跃迁的几率。
1.量子级联激光器概述 2.量子级联激光器基本结构与工作原理 3.量子级联激光器材料研发 4.量子级联激光器相关应用 5.量子级联激光器存在问题及解决方法 6.量子级联激光器未来展望
普通半导体激光器由于受到化学结构的制 约，使其大约以相当于导带价带差的能量向外辐 射光，因此不能发射中远红外范围的光。而于 1994 年 ， 美 国 贝 尔 实 验 室 发 明 的 以 GaInAs/AlInAs作为量子阱材料的量子级联激光 器(Quantum Cascade Laser QCL)由于其在中红 外光方面的表现而开创了具有基础性、战略性、 前瞻性的半导体激光前沿领域。
主要问题之二：
QCL器件供作有源区 由数百层纳米外延层 组成 量子阱界面面功率较 高
器件有源区热损耗 较大
器件工作效率较低
主要解决方法：
综上所述QCL相对于一般半导体激光器具有以下特点：
量子级联激光器是一种多层的量子阱结构，每 一层结构包括一个注入区和一个激发区，其中激 发区为三个耦合量子阱。这种激光器的光子产生 依赖于电子能级在耦合量子阱中的台阶分布。当 电子从一个高能级量子阱跃迁入另一个低能级量 子阱中时将产生一个光子。从发光机理上看，这 是一种新型激光器，因为其并不像普通激光二极 管那样依赖电子与空穴的符合产生光子。
注入区的作用是冷却上 一个激发区被加速了的 电子
注入区
子级量子阱 激发区
三个量子阱
与传统半导体激光器不同，量子级联激光器 是一种单极型激光器，只依赖一种载流子。在有 外加电场的情况下，利用电子量子隧穿通过由一 组耦合量子阱构成的注入区，到达由另一组耦合 量子阱构成的有源区，导带激发态子能级电子共 振跃迁到基态释放能量，发射光子并隧穿到下一 级，成为下一级相似结构的注入电子。