量子級聯激光器(Quantum cascade laser, QCL)是一種利用能帶級聯機制實現激光輸出的半導體激光器。相對于傳統的半導體激光器，QCL具有更寬的工作波長范圍、更高的功率和更窄的譜線寬度等優點，特別適用于紅外光譜區域的探測和成像。
量子級聯激光器
工作原理
QCL是基于一系列由不同寬度的量子阱組成的超晶格結構，并通過能帶級聯實現電子躍遷從而實現激射。具體來說，QCL中的每個量子阱都包含多個井，每個井都被限制在一個很小的空間范圍內，使得電子的能量是量子化的。QCL的超晶格結構被設計為電子需要在不同的能級之間穿越以完成電子躍遷過程。這種能帶級聯機制可以實現高效的電子注入和抽運，同時也可以避免吸收和散射損失。
當施加電壓時，在單個阱中的電子會通過躍遷從一個能級到另一個能級，最終到達與相鄰阱中的能級匹配的能級。這個過程中，電子躍遷釋放出一個光子，并且該光子的能量是與電子躍遷前后的能級差相對應的。通過將多個阱組合在一起，可以形成一個量子級聯結構，其中每個阱都被設計為產生不同波長的激光輸出。因此，QCL具有廣泛的工作波長范圍。
優點
與傳統的半導體激光器相比，QCL有以下幾個優點：
(1)更寬的工作波長范圍： QCL能夠實現從近紅外到遠紅外范圍內的連續波輸出，包括短波紅外(SWIR)，中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)等波段。
(2)更高的功率：QCL的超晶格結構可以實現高效的注入和抽運，使得QCL具有非常高的功率密度，達到了千瓦級的水平。
(3)更窄的譜線寬度：QCL的激光輸出具有非常窄的譜線寬度，通常只有幾納米左右，這使得QCL在分辨率要求較高的應用中具有優勢。
(4)可調諧性：通過調整量子阱的設計和電壓的施加，可以實現QCL的波長可調諧。
應用
由于其廣泛的工作波長范圍和其他優點，QCL在很多應用領域都有著潛在的用途。以下是一些主要的應用領域：
(1)光譜學：QCL可以用于紅外吸收光譜分析，例如氣體檢測和生物醫學成像。
(2)激光雷達/Lidar：QCL作為光源可以用于激光雷達系統中，特別是在自動駕駛汽車、機器人和無人機等領域。
