量子级联激光器——中国科学院半导体研究所创新成果

2018-01-08

中远红外及太赫兹量子级激光器（THz-QCL）技术的突破将激活我国的军用与民用市场。它在无损伤医学诊断、高分辨光谱、空间探索、环境监测、化学分析、毒品/爆炸物检测、分子光谱研究、自由空间通信等方面具有广泛的应用前景。而随着航天科技快速发展，深空探索能力不断加强，基于红外及THz半导体激光器的光谱分析仪器有巨大的市场需求。同时，由于经济和科技高速发展，建设以人为本的环境友好型社会急需高性能中远红外及THz光源的环境监测仪分析于该领域。此外，中远红外，特别是8～14微米波段作为大气窗口，气溶胶粒子对该波段激光散射小，使得中远红外QCL在自由空间通信、特别是星地通信方面具有非常广阔市场前景。

一、量子级联激光器概念

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）是以半导体超晶格、量子阱为基础，在纳米尺度内通过量子工程设计形成的光电性能可调控、具有级联特征的新型中远红外及THz激光器。

在耦合量子阱内因量子限制效应而产生分立的电子态，偏压下这些激发态之间可产生粒子数反转。图1是偏压下QCL一级有源区的导带示意图，每一级由耦合量子阱激光跃迁区和收集/注入区组成，而每一级的收集区又是下一级的注入区。收集/注入区设计成梯度带隙超晶格结构，其作用相当于n=3态电子波的高反膜，同时也是n=1、n=2态电子波的增透膜，具有抑制电子从n=3激发态的逃逸和促使电子从低能态（n=1）隧穿抽运的双重作用，进而实现粒子数反转。同时两个低能态子带n=1、n=2间距等于纵光学声子能量，促进n=2态电子向n=1态的共振驰豫，达到迅速抽空的目的。再通过这种有源区单元的多级串联从而使QCL达到光学放大的目的。量子效应决定了子带间距（激射波长），有源区单元的逐级串联形成了级联放大。

QCL的工作波长由耦合量子阱子材料的厚度决定、可实现波长的大范围剪裁（几微米到上百微米）。QCL的有源区由多级耦合量子阱模块串接组成，可实现单电子注入的倍增光子输出而获得大功率。QCL的受激发射过程是发生在子带间，是一种超高速响应的激光器。

二、量子级联激光器技术研究进展

（一）中远红外量子级联激光器

研制的波长为3.5～11.4微米的系列QCLs，最高室温脉冲功率达60瓦、最高室温连续工作功率1.5瓦，部分量子级联激光器的器件实物图。

（二）太赫兹量子级联激光器

研制出频率在2.90～3.4太赫兹范围内的系列太赫兹QCLs，单管最高脉冲峰值功率大于1瓦，最高连续波功率大于160毫瓦，最高脉冲工作温度大于100开尔文，最高连续波工作温度大于70开尔文。

三、量子级联激光器应用系统开发

（一）高速量子级联激光器及自由空间通信

 在研制高性能中远红外量子级联激光芯片的基础上，利用微波封装技术研制出了室温高速工作的中波红外量子级联激光器。波长4.7微米，室温连续波功率180毫瓦，3dB带宽达1.7GHz。利用3dB带宽～600兆赫的红外探测器可以获得数据率900Mbps的清晰眼图，可实现高性能的长距离自由空间激光通信。

（二）单模量子级联激光器与痕量气体探测

利用所研制的分布反馈量子级联激光器开发出CO₂同位素检测系统，通过测定人体呼出气体中各种CO₂同位素浓度的比例变化可以用来进行胃癌等疾病的诊断。

四、量子级联激光器应用前景

小型化的中红外QCL有很多重要的应用领域，包括自由空间通信、红外对抗、远距离探测等方面。波长3～5微米和8～14微米是两个大气窗口，二氧化碳和水蒸气吸收弱，气溶胶散射和大气湍流影响比较小，因此利用处于两个大气窗口的大功率QCL可以实现很远的传输距离，可以进行远距离自由空间通信。红外制导导弹的导引头装有红外探测器用于目标搜索,因此可以利用QCL对敌方的红外导引头进行主动干扰进而使其无法找到目标。各种气体分子在中红外波段都存在着很强的特征吸收峰，利用特定波长的大功率单模QCL可以研制高灵敏的化学传感器，在医学诊断及反恐领域具有重要应用前景。

太赫兹QCL的应用领域包括远程监视与探测、非接触的安全检测与识别、安全的无损检测等方面。太赫兹激光雷达可探测比微波雷达更小的目标、实现更精确的定位。太赫兹光可进行远距离成像、多光谱成像、以及三维立体成像，可用来进行非接触的安全检测，识别爆炸物、化学或生物危险品、毒品等。太赫兹光有强的穿透力，穿透时不易发生电离，在航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。

专家简介

刘俊岐，博士，研究员，硕士生导师。2007年1月至今，任职于中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，从事中远红外半导体激光器和探测器研究。目前主持国家重点研发计划课题“中远红外及THz量子级联激光器研究”（编号：2016YFB0402303），并承担国家自然科学基金及中国科学院重点部署项目。