量子级联激光器（qcl）被认为是中远红外（IR）波长范围内灵活、强大的光源之一，涵盖了与红外应用相关的大多数关键光谱区域。QC激光器基于带隙工程的突破性概念，由Capasso1和他的同事Faist等人在贝尔实验室开发，并基于Kazarinov和Suris在1971年的早期工作。这一创新导致了光学材料的“设计”，通过仔细定制半导体多层导带中的子带间跃迁，为半导体激光器进入以前无法进入的电磁波谱中红外波长范围铺平了道路。
量子级联激光器：长波红外（λ>6 μm）的设计
qcl今天能够在λ = 3-24 μm范围内发光，并且z近已经引入到太赫兹域，可能导致光电集成的新水平由于有可能利用为电信/数据通信组件市场开发的已经成熟的InP和GaAs技术，qcl已经显示出令人印象深刻的快速技术发展。自1994年成立以来，2QC激光器仅在几年后就实现了室温（RT）脉冲操作，并在2008年实现了连续（CW） RT操作。由于不断推动这项技术的工业化，由Cho首创的分子束外延（MBE）进行的初始材料开发工作近年来已扩展到更标准的工业平台，用于材料生长，金属有机化学气相沉积（MOCVD）mocvd生长的QC激光器已经迅速达到了与mbegrow设备相当的RT性能，并且在RT后不久就显示出连续运行MOCVD生长的qcl在中波红外（MWIR）13和长波红外（LWIR）波长下的高功率连续工作已经被证明。
尽管qcl具有巨大的前景，但直到z近，复杂的结构和制造qcl的困难使这些设备仅仅是实验室工具。z近的进展主要是为了提高MWIR的电光转换效率，这极大地促进了技术从实验室到工业的转移。我们团队的研究成果在功率输出和插拔效率方面取得了飞跃，z终可以实现这些设备的现场部署。目前，qcl能够在单发射器的MWIR范围内提供瓦级输出功率，其壁插效率超过10%，并且正在迅速接近lwir的可比工作特性。
图1
光谱的长波-红外区域通常定义为延伸到第二个大气透射窗口（即λ = 8-12 μm）。对于LWIR中的波长，由于与自由电子相关的吸收损失增加，波长较长导致的光约束较弱，以及由于制造具有较厚波导和光学涂层的器件而遇到的困难，因此出现了一些工程挑战。随着所设计器件的波长向LWIR窗口的远红外端移动，所有这些因素都会导致器件性能逐渐恶化。图1实际说明了这一概念，显示了AdTech制造的激光器的典型输出功率分布作为设计波长的函数，其中长波输出功率从λ ~ 7 μm处的总功率P = 1 W逐渐下降到11.5 μm及以上波长的P = 10-100 mW范围。激光性能的一个基本贡献是当然给出了活动区域的设计。作为对图1-3的评论，在以下段落中，对主动设计对激光性能的影响进行了一定程度的讨论。作为一般指导原则，在接下来的讨论和图1的说明中，我们只考虑经过优化并证明在其波长范围内表现出色的设计。这些是基于几个概念的设计，这些概念在qcl发明后的15年左右时间里得到了验证和发展。因此，这里介绍的器件是集成了许多关键元素的结果，这些元素在激光的带结构和波导中已经被理解了很长一段时间。关于这个主题的广泛讨论超出了本文的范围。
图2
在较短的光谱端（MWIR, λ = 3-5 μm），性能下降主要是由于缺乏与激光发射所需的跃迁能量增加相关的电子量子约束。在光谱的较长波长的一边，性能下降与更复杂的因素组合有关。LWIR波长下光发射减弱的主要原因包括自由载流子和子带间吸收导致的光损耗增加，以及材料中波长增加导致的光约束减少。事实上，根据αel ~ λn，自由电子吸收随波长的增加而增加，其中功率依赖性在n = 2 ~ 3范围内，而随着跃迁能量的降低，子带间吸收变得更强，这是由于活性材料注入/弛豫区低能态之间的跃迁所需的动量交换比高能跃迁更小。对于光约束，如果考虑有效折射率近似为n = 3.2的材料中的波长，则λ = 4.5 μm和λ = 10 μm的自由空间激光波长分别可以估计出λ/n = 1.4和3.1 μm。由于器件的几何形状以及制造和设计的限制，典型的主动导芯厚度在DAR = 1.5 ~ 2.5 μm范围内。因此，λMWIR/n < DAR < λLWIR/n，我们可以预期，虽然MWIR激光器将具有较高的约束因子，通常在85%范围内，但LWIR激光器将无法达到类似的重叠因子，通常在60-70%范围内。图2说明了这一概念，绘制了光模式约束作为波长的函数，对于具有相似波导参数的MWIR和LWIR激光器。
图3
LWIR激光器的优点之一是能够充分利用晶格匹配和应变补偿InGaAs/InAlAs材料的带隙偏移，而MWIR激光器需要高应变生长以改善电子约束，从而提高电流注入效率。这种MWIR设计方法的缺点是需要高偏置电压，这反过来又有助于产生更大的热功率。LWIR范围内的典型工作电压（7-10 V）明显低于MWIR范围（10-15 V），从而使应用工程更具容忍度。
LWIR激光器的典型能带结构如图3所示与InP匹配的InGaAs/InAlAs晶格的带偏移估计为βECB = 0.52 eV，激光发射波长为λ = 9.1 μm（对应βEL = 0.136 eV）。考虑到激光顶部水平应在远离传导带连续体(例如,至少βEConf = 0.1 eV低于乐队抵消),为了Max化粒子数反转,并考虑喷射器基态的能量抵消由于量子限制注入势垒(βEINJ≈0.1 eV),剩下的能量范围的注射器miniband,负责激光损耗越低,欧洲央行是β−EL−ββEConf−βEINJ≈0.18 eV。这是在适当的范围内，以防止由于光学声子重吸收，电子从注入/弛豫区的准费米能级返回到RT下的激光紫外光。很明显，对于波长较短的激光器，晶格匹配材料越来越难以满足这一条件，除了降低注入效率外，还会显著导致RT下的性能下降。事实上，第1个展示连续RT操作的工作激光器如图3所示。因此，应变补偿激光材料优先用于MWIR波长激光器，尽管由于材料的生长能力，应变量是有限的。高应变材料可以带来更大的带偏移，但在导带中向侧谷的散射可以为非辐射跃迁过程增加通道，并且其对激光操作性能的影响目前尚未完全了解。
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