量子级联激光器
新设计进一步拓展量子级联激光器的能力

量子级联激光器的最新进展包括室温下瓦级功率输出、超过20%的电光转换效率、更短波长、更窄带宽，以及来自带间量子级联激光器的新竞争。
Jeff Hecht

  在2012 年5 月举行的CLEO 会议上，来自瑞士联邦理工学院的Jérôme Faist 在演讲中表示，量子级联激光器（QCL）的性能“已经超出了我的想象”。1994 年，他在贝尔实验室工作时，曾针对第一台量子级联激光器发表了相关报道。[1] 他回忆道，第一台量子级联激光器只能在低温下发射微弱的10mW 光功率，性能“简直糟透了”。Jérôme Faist 说他从未预料到室温条件下的量子级联激光器可以获得瓦级功率输出，并且能实现超过20% 的电光转换效率！现有的先进设计及加工工具使得这些高性能量子级联激光器成为现实，并使它们成为传感器、精密测量装置以及军事对抗等红外（IR）应用中的关键工具。

通过量子阱实现级联
  前苏联物理学家R.F. Kazarinov 和R.A. Suris 于1971年首次提出了量子级联激光器的概念，在此前一年，世界上第一台室温条件下连续运转的二极管激光器问世。[2] 他们提议通过一堆量子阱中的级联电子获得量子阱子带间的跃迁，以实现激光运转。

  起初，他们的建议并不被人看好。子带间跃迁的吸收峰很窄，并且辐射寿命为亚皮秒量级，因此它们的自发发射比二极管激光器所采用的带间跃迁要小得多。然而，Faist 称：“发光二极管效率低并不意味着激光器效率低。”通过一系列量子阱获得的电子级联，能够产生比自发辐射效率高的多的受激发射。对这一问题的认识，以及采用分子束外延方法生长的具有绝佳界面的极薄层，使得量子级联激光器在贝尔实验室诞生了。

  最初的演示系统仅能在低温下输出毫瓦量级脉冲，但这已为进一步的性能提高开辟了道路。电子可以通过20-200 个量子阱级联，并且在中红外波段的每次跃迁中仅损耗很小的能量。沿整个量子阱堆施加电压，能够减小克服接触电阻所消耗的那部分电压，因此其非常经济高效。

  设计灵活性是量子级联激光器的主要优点之一。它们的性质很大程度上取决于装置结构而非半导体化合物，并且工作范围覆盖了中红外直到太赫兹波段，大致对应波段为3~300μm。设计人员可以采用其他半导体激光器所采用的结构，例如掩埋式异质结以及分布反馈。采用外腔设计可以获得超过中心波长10% 的调谐范围。

  优化量子级联激光器是一个复杂的过程，因为它需要在多种因素之间折中考虑。Faist 称最新的数值模拟工具，可以利用遗传算法估计设计参量变化带来的影响，从而实现自动化设计。[3]

功率与效率
  军事上对高功率中红外光源的兴趣推动了瓦级量子级联激光器的发展。2009 年，美国Pranalytica 公司一个由美国国防部先进研究项目局（DARPA）资助的研究小组，报道了室温下连续运转、输出功率3W 的4.6μm 量子级联激光器，这在当时是最高的输出功率。他们的新颖设计可以同时优化若干设计参量，从而将阈值电流密度降至0.86kA/cm2，并且将电光转换效率提升到了12.7%。[4]

图1：Daylight Solutions公司开发的热激光笔。该系列产品可在3~20μm波段获得100mW输出，可用作激光笔、照明装置或信号灯。

  去年， 美国西北大学量子装置研究中心Manijeh Razeghi 的研究小组报道了波长4.9μm、输出功率5.1W 的最高功率量子级联激光器。该装置采用掩埋型脊结构，腔体长度和宽度分别为5mm 及8μm，并能获得近似衍射极限的输出光束。该装置的浅阱设计，使得他们获得了高达21% 的创纪录的连续波功率效率，脉冲效率达到27%。[5]此前，他们还报道了在400μm 脊宽的波导中获得波长4.4μm、峰值功率120W 的200ns 脉冲输出，占空比为0.2%。[6] 图2 显示了室温条件下，在多个波长处他们记录的量子级联激光器的最高连续波功率。

  美国Daylight Solutions 公司的Erik Takeuchi 表示，商品化量子级联激光器能够在4~5μm 的中红外波段大气窗口输出2W 的衍射极限光束，可达到的最大功率取决于波长。他说，从物理学角度出发，量子级联激光器最高功率波长在6μm 附近，但由于大气传输损耗较大，因此人们对该波长并不感兴趣。目前，量子级联激光器可在8μm 处获得1.5W 左右的较低功率输出。

  迄今为止，量子级联激光器的最高效率是在低温条件下实现的，此时内部量子效率可以超过80%。然而，直到2010 年以前，最高的电光转换效率要比这一效率小一半。Razeghi的研究小组将5μm 量子级联激光器冷却到40K，获得了53% 的电光转换效率。这是首台产生的红外光多于热量的量子级联激光器。[7]

图2：西北大学量子装置研究中心获得的室温条件下、单个量子级联激光器输出的最高连续波功率。

波长及带间级联激光器
  量子级联激光器的重要制约因素之一在于波长小于4μm 时，它们的性能会变差，这是由砷化物量子阱系统的限制造成的。解决该问题的方法之一是将锑化物添加到量子级联激光器结构中。在2012 年的CLEO 会议上，英国Dundee 大学的一个研究小组介绍了室温下锑化物量子级联激光器在3.2μm波段调谐范围可以达到85nm。[8]但锑化物需要特别的加工技术，并且Faist 研究小组报道了脉冲运转的无锑化物量子级联激光器能够在3.3μm 波段获得450nm 的调谐范围[9,10]。

  与此同时， 此前主要工作在3~4μm 波段的带间级联激光器（ICL）正在向更长波长迈进。如图3 所示，带间级联激光器是量子级联激光器与常规二极管的混合产物。尽管电子通过一系列量子阱级联，但它们在导带与价带之间跃迁以获得光输出，这一点与二极管相似。随后电子遂穿到下一个量子阱，与量子级联激光器相似。

  2011 年，美国海军研究实验室Jerry Meyer 的研究小组展示了重掺杂电子数量，从而将带间级联激光器在室温下的阈值电流密度降至170A/cm2， 并且将电光转换效率提升至13.5%。[11] 这使得带间级联激光器的输出波长能够向更长波长移动，并且在更长波长它们的低输入功率对那些低功耗应用（例如传感）而言更具吸引力。Meyer在CLEO 会议上表示：“我们的带间激光器输出波长可以超过6μm。”他的研究小组已经演示了室温条件下5.6μm 波长处的连续波运转，以及在190 K 低温条件下9.4μm 波长处的脉冲运转。[12]

  美国俄克拉何马大学的一个研究小组采用等离子波导带间级联激光器获得了更长波长输出。在CLEO会议上，他们报道了166 K 条件下单个激光器可以获得10.3μm 的连续光输出。奇怪的
是，该装置在125 K 时的发射波长为9.0μm，但在150 K 时则跳到更长波长。该现象至今还没有理论解释。[13]

频率梳及宽带宽
  中红外光谱学家已经将频率梳的较弱单频分量输出作为种子注入到量子级联放大器中，以获得精确校准的波长输出。由于增益恢复时间仅为0.3ps，这比高性能量子级联激光器腔内几十皮秒的往返渡越时间短得多，因此很难从量子级联激光器获得锁模运转。这似乎阻止量子级联器产生飞秒频率梳。

  然而在CLEO 会议上，Faist 称除了令超短脉冲在锁模激光器中往返传输外，还有其他产生频率梳的方法。关键在于激光发射是周期性的，并且能够重复腔的往返渡越频率。因此拥有低群速度色散的理想频率调制激光光谱，可以看作一系列离散的、等频率间隔的频率梳。

图3：通过带间跃迁发射的激光二极管（a）与量子级联激光器（b）以及带间级联激光器的比较。在激光二极管中，导带电子与单个量子阱中的空穴复合，从而通过带间跃迁发射。在量子级联激光器中，单个电子通过一系列量子阱跃迁，并且每次在量子阱子带间跃迁发光。在带间级联激光器中，电子在量子阱中向右运动，空穴向左运动。每个量子阱都会产生新的电子-空穴对。在两种级联激光器中都施加高的偏压，但量子级联激光器仅掺杂电子，而带间级联还包括p掺杂以产生空穴。

  在CLEO 会议上，Faist 的学生Andreas Hugi 报道了在自由运转宽带量子级联激光器中获得了7μm 处490nm宽的频率梳。单个频率的拍频线宽仅为10Hz。[14]

前景与应用
  量子级联激光器已经成为一种商用技术，应用包括毫瓦量级传感应用，以及中红外对抗、中红外相机和热相机用的激光笔等更高功率应用。Takeuchi 称新的发展趋势之一是将传感应用拓展到14~16μm 波段，在此碳氢化合物的标志将比中红外波段更为与众不同，而在中红外波段它们之间有很多重叠。他还称：“可以在更长波段很清晰地区分苯、甲苯以及二甲苯，这是一个绝佳的商业应用。”

  即便是没有“制胜应用”，商用市场依然前景广阔。Takeuchi 称过去的六年间，量子级联激光器的成本已经下降了一个数量级。制造商们也已经建立起了在采用新技术前所需要的可靠性数据。Takeuchi 补充道，Daylight 公司对大约100 个装置超过5.5 万小时的总运行时间测试中，“还没有发现装置失灵”。直到现在，它们看起来非常棒。

参考文献：
11. J. Faist et al., “Quantum cascade laser,” Science, 264, 553–556 (April 1994).
2. R.F. Kazarinov and R.A. Suris, “Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice,” Fiz. Tekh. Poluprov., 5, 797–800 (1971); transl. in Sov. Phys. Semicond., 5, 707–709 (1971).
3. R. Terazzi and J. Faist, New J. Phys., 12, 033045 (2010).
4. A. Lyakh et al., “3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach,” Appl. Phys Lett., 95, 14, 141113 (2009).
5. Y. Bai et al., “Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall-plug efficiency,” Appl. Phys. Lett., 98, 181102 (2011).
6. Y. Bai et al., “High power broad area quantum cascade lasers,” Appl. Phys. Lett., 95, 221104 (2009).
7. Y. Bai et al., “Quantum cascade lasers that emit more light than heat,” Nat. Photon., 4, 99 (February 2010).
8. T. Kruczek et al., “3190–3275 nm tuneable, room temperature, external cavity InAs/AlSb Quantum Cascade Laser,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.6 (2012).
9. A. Bismuto et al., “Sb-free quantum cascade lasers in the 3–4 μm spectral range,” Semicon. Sci. Technol., 27, 045013 (2012); doi:10.1088/0268-1242/27/4/045013.
10. S. Riedi et al., “EC tuning of broadband QCL active region designs around 3.3 μm and 8 μm,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.2(2012).
11. I. Vurgaftman et al., “Rebalancing of internally generated carriers for mid-infrared interband cascade lasers with very low power consumption,” Nat. Commun., 2, 585 (Dec. 13, 2011); doi:10.1038/ncomms1595.
12. C.L. Canedy et al., “Improved interband cascade lasers for LAMBDA=3-5.6 µm,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.3 (2012).
13. L. Li et al., “Interband cascade lasers at long wavelengths,” CLEO Tech. Dig., paper CF3K.2 (2012).
14. A. Hugi et al., “Mid-IR broadband quantum-cascade laser frequency comb,” CLEO Tech. Dig., paper CTh3N.3 (2012).

摘自《激光世界》杂志