量子級聯激光器

量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser, 縮寫：　ＱＣＬ）是一種能夠發射光譜在中紅外（Midwave Infrared）和遠紅外頻段激光的半導體激光器。它是由貝爾實驗室哲羅姆·菲斯特、費德里科·卡帕索等人於1994年率先實現^[1]。

通常的半導體激光器是發光的機制是導帶和價帶中的電子電洞對在複合過程中發出光子，而量子級聯激光器的原理則是，在多層半導體形成的週期性量子阱超晶格結構中，利用其子能帶之間的電子躍遷發光，這個想法首先由R.F. Kazarinov和R.A. Suris在1971提出，論文題目為《在超晶格結構半導體中實現電磁波放大的可能性》（Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice）^[2]。

激光類型

儘管量子級聯增益介質可用於產生超發光配置的非相干光^[3]，但它最常用於與光學腔結合以形成激光。

法布立-培若激光器

這是量子級聯激光器中最簡單的一種。 首先用量子級聯材料製造光波導以形成增益介質。 然後切割晶體半導體元件的端部以在波導的任一端上形成兩個平行的反射鏡，從而形成法布立-培若（Fabry-Pérot）諧振器。 從半導體到空氣界面的解理面上的殘餘反射率足以產生諧振器。 法布立-培若量子級聯激光器能夠產生高功率^[4]，但在較高工作電流下通常是多模式。 可以通過改變量子級聯裝置的溫度來主要改變波長。

分佈式反饋激光器

分佈式反饋（Distributed feedback, 縮寫：　DFB）量子級聯激光器^[5]類似於法布立-培若激光器，除了在波導頂部構建的分散式布拉格反射器（DBR）以防止其以不同於所需波長的方式發射。 這迫使激光器的單模操作，即使在較高的工作電流下也是如此。 DFB激光器可以通過改變溫度來進行調諧，儘管通過脈衝DFB激光器可以獲得有趣的調諧變體。 在這種模式下，激光的波長在脈衝過程中迅速「啁啾(Chirp)」，從而可以快速掃描光譜區域^[6]。

外腔量子級聯激光器

利用Littrow結構繞射光柵提供頻率選擇性光反饋的外腔量子級聯元件示意圖。

在外腔（External cavity, 縮寫：　EC）量子級聯激光器中，量子級聯元件用作激光增益介質。 波導小平面中的一個或兩個具有抗反射塗層，其抵抗切割小平面的光學腔作用。 然後將鏡子佈置在量子級聯裝置外部的配置中以產生光學腔。

如果在外腔中包括頻率選擇元件，則可以將激光發射減少到單個波長，甚至可以調諧輻射。 例如，繞射光柵已被用於製造^[7]可調諧激光器（英語：Tunable laser），其可調諧其中心波長的15％以上。

擴展調諧設備

存在幾種僅使用單片集成元件來擴展量子級聯激光器的調諧範圍的方法。 集成加熱器可以將固定工作溫度下的調諧範圍擴展到中心波長的0.7％^[8]，通過Vernier效應工作的上層結構光柵可以將其擴展到中心波長的4％^[9]，相比之下，標準DFB設備<0.1％。

應用

法布立－培若（Fabry-Perot　縮寫FP）量子級聯激光器於1998年首次商業化^[10]，分佈式反饋（DFB）元件於2004年首次商業化^[11]，並且廣泛可調諧的外腔量子級聯激光器於2006年首次商業化^[12]。高光功率輸出，調諧範圍和室溫操作使量子級聯激光器（QCL）可用於光譜應用，如環境氣體和大氣污染物的遙感^[13]和安全應用。 它們最終可用於在能見度差條件下的車輛巡航定速^{[來源請求]}，防撞雷達^{[來源請求]}，工業過程控制^{[來源請求]}，和醫療診斷如呼吸分析儀^[14]。 量子級聯激光器也用於研究等離子體化學^[15]。

參考文獻

1. Faist, Jerome; Federico Capasso; Deborah L. Sivco; Carlo Sirtori; Albert L. Hutchinson; Alfred Y. Cho. Quantum Cascade Laser (abstract). Science. April 1994, 264 (5158): 553–556 [2007-02-18]. Bibcode:1994Sci...264..553F. PMID 17732739. doi:10.1126/science.264.5158.553. （原始內容存檔於2009-11-17）.
2. Kazarinov, R.F; Suris, R.A. Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice. Fizika I Tekhnika Poluprovodnikov​（俄語）. April 1971, 5 (4): 797–800.
3. Zibik, E. A.; W. H. Ng; D. G. Revin; L. R. Wilson; J. W. Cockburn; K. M. Groom; M. Hopkinson. Broadband 6 µm < λ < 8 µm superluminescent quantum cascade light-emitting diodes. Appl. Phys. Lett. March 2006, 88 (12): 121109. Bibcode:2006ApPhL..88l1109Z. doi:10.1063/1.2188371.
4. Slivken, S.; A. Evans; J. David; M. Razeghi. High-average-power, high-duty-cycle (λ ~ 6 µm) quantum cascade lasers. Applied Physics Letters. December 2002, 81 (23): 4321–4323. Bibcode:2002ApPhL..81.4321S. doi:10.1063/1.1526462.
5. Faist, Jérome; Claire Gmachl; Frederico Capasso; Carlo Sirtori; Deborah L. Silvco; James N. Baillargeon; Alfred Y. Cho. Distributed feedback quantum cascade lasers. Applied Physics Letters. May 1997, 70 (20): 2670. Bibcode:1997ApPhL..70.2670F. doi:10.1063/1.119208.
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