量子级联激光器（QCL）外延材料

        量子级联激光器（QCL）是一种基于子带间电子跃迁的光源，覆盖中红外（MIR）到太赫兹区域。级联量子长波激光器的制备材料体系主要有GaInAs/AlInAs/InP材料体系、GaAs/AlGaAs/GaAs材料体系和锑化物材料体系。其中，基于InGaAs/InAlAs/InP材料体系的QCL量子级联激光器发射波长从中波到长波红外（~3~20μm）不等。可供InP基GaInAs/AlInAs外延材料，用于制造4~5um、7~9um等波长的半导体量子级联激光器，具体以4~5um波长结构为例：

1. 4~5um量子级联激光器外延结构

2. InGaAs/AlInAs异质外延材料的优势

        1） QCL的激光增益与（me）^-3/2成正比。由于InGaAs中的电子有效质量me小于GaAs中电子的有效质量，InGaAs/InAlAs异质外延材料系统的增益大于GaAs/AlGaAs材料系统；

        2） InGaAs/InAlAs异质外延材料系统的导带阶相对较大，如图1所示，并且激光跃迁的高能态之间的能隙较大，使得量子级联半导体激光器更容易实现激光发射，可实现高于室温的高功率连续波发射。

图1 InGaAs/InAlAs异质外延材料的晶格常数（a）和带隙（b）

3. 什么是量子级联激光器？

        量子级联激光器由数十个交替的半导体材料层组成，形成量子能阱，将电子限制在特定的能态。当每个电子穿过激光介质时，它会在器件上施加的电压的驱动下从一个量子阱过渡到下一个量子阱。在精确设计的位置（称为“活性区域”），电子从一种价带能态跃迁到较低的价带能态，并在此过程中发射光子。电子继续穿过该结构，当它遇到下一个有源区域时，它会再次跃迁并发射另一个光子。其工作原理如下：

图2 量子级联激光器工作原理

        与传统的半导体激光器不同，QCL的激光跃迁发生在耦合量子阱结构的导带中不同的两个带间态之间。因此，量子级联激光器波长由子带间态的能量分离决定，可以设计为使用相同的材料系统产生具有不同波长的激光器。

        目前，量子级联激光器的应用主要在气体探测、红外对抗和太赫兹通信方面。

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