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OFweek激光网讯：1994年Federico Capasso和同事卓以和等人在贝尔实验室率先发明量子级联激光器。这被视为半导体激光领域的一次革命。2000年，我国科学家李爱珍（现任美国科学院院士）的课题组在亚洲率先研制出5至8微米波段半导体量子级联激光器，从而使中国进入了掌握此类激光器研制技术的国家行列。 量子级联激光器(quantum cascade lasers， QCLs)是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。不同於传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，QCL受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。QCL引领了半导体激光理论、中红外和THz半导体光源革命，是痕量气体监测和自由空间通信的理想光源，在公共安全、国家安全、环境和医学科学等领域有重大应用前景。 量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成(通常大于500层)而实现单电子注入的多光子输出。量子级联激光器的出现开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河，在中、远红外半导体激光器的发展史上树立了新的里程碑。 近日，中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室、低维半导体材料与器件北京市重点实验室，在科技部、国家自然科学基金委及中科院等项目的支持下，经过努力探索，制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品。 太赫兹（THz）量子级联激光器是一种通过在半导体异质结构材料的导带中形成电子的受激光学跃迁而产生相干极化THz辐射的新型太赫兹光源。半导体材料科学重点实验室经过多年的基础研究和技术开发，目前推出系列太赫兹量子级联激光器产品。频率覆盖2.9~3.3 THz，工作温度10~90 K，功率5~120mW。 太赫兹波介于中红外和微波之间，是一种安全的具有非离化特征的电磁波。它能够穿透大多数非导电材料同时又是许多分子光学吸收的特征指纹光谱范围。它的光子能量低（1 THz对应的能量大约4meV），穿透生物组织时不会产生有害的光电离和破坏，在应用到对生物组织的活体检验时，比X光更具优势。它的波长比微波短，能够被用于更高分辨率成像。THz波在分子指纹探测、诊断成像、安全反恐、宽带通讯、天文研究等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 量子级联激光器最新进展： 1、输出1瓦特太赫兹辐射 奥地利维也纳技术大学的一组研究人员制造出一种新型量子级联激光器，成功输出了1瓦特的太赫兹辐射，打破了此前由美国麻省理工学院所保持的0.25瓦特的世界纪录，成为目前世界上功率最大的太赫兹量子级联激光器。 太赫兹射线，是波长介于微波与红外之间的一种电磁辐射，由于物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，太赫兹技术被认为会对通信、遥感、天文、反恐、医学成像以及生化检测等领域带来极为深远的影响。美国称其为“改变未来世界的十大技术”之一，日本将其列入“国家支柱十大重点战略目标”。但一直以来，高强度的太赫兹辐射源却很难制造。 打破世界纪录的这种新型量子级联激光器只有几毫米厚，半张邮票大。它具有一个在纳米尺度上量身定做的半导体层，通过使用一种特殊的融合技术，将两个具有对称结构的激光器结合在一起，能使整个系统产生比单个激光器强4倍的激光。由于每层量子级联激光器中的电子只响应特定的、非连续性的能级，当对其施加恰当的电流后，电子就会一层接着一层地进行连续跳跃，而在通过每一层的时候都会以发光的形式释放能量。通过这种方式就能产生波长为亚毫米级（介于微波和红外之间）的太赫兹射线。
负责该项目的维也纳技术大学光电研究所教授卡尔·安特伦纳尔解释说，要用太赫兹射线测量较远的物体或用于医学成像都需要很大的功率，对于标准的量子级联激光器而言，这肯定是不行的。一种可能的方法就是使用更多的半导体层，层数的增多意味着有更多的电子通过发光的形式释放能量。他的研究小组正是根据这一设想，运用一种被称为“粘接处理”的技术，成功地将两个独立的量子级联激光器结合在了一起。通过采用严格的对称结构和对系统光学性能进行有效优化等手段，他们终于让粘合在一起的两个激光器产生了4个激光器的能量。 对太赫兹量子级联技术而言，这不单单是打破了一项世界纪录，突破1瓦特，对太赫兹技术的应用而言将是一个重要的里程碑。 2、再次刷新世界纪录 美国西北大学的Manijeh Razeghi和她的团队再一次刷新了量子级联激光器(QCL)技术，这次通过与表面栅板分布反馈(DFB)部分之间创立一个斜角，能够将高质量光束（与纯单侧面模式接近）和高功率相结合。原型的输出波长为10.4 um，功率大于6W，衍射低，光质量高。 所谓的"β-DFB" 栅板面向光栅划线，与输出激光器端面平衡；激光器谐振腔本身有角度，形成长菱形的谐振腔形状。 "我们的共振器在产生高功率和高光束质量的单一模式激光光源方面具有极大的潜能，价格低廉并能在室温下进行操作"，美国西北大学量子设备研究中心(CQD)负责人Manijeh Razeghi表示，"另外，该设计能应用于任何波长的半导体激光器"。β-DFB的发展弥补了量子设备的研究成果，但该项目并没有得到直接的资金资助。 设计上的改善，尤其是激光器谐振腔设计和增益介质的优化，有望大幅提高输出功率。可以应用于从安全位置检测瓦斯、爆炸或其他物质。 描述研究成果的文章《倾斜谐振腔大范围量子级联激光器（Angled Cavity Broad Area Quantum Cascade Lasers）》已于2012年8月21日在杂志《应用物理快报（Applied Physics Letters）》上发表。 3、波兰科学家研究成功生产量子级联激光器技术 波兰华沙电子技术研究院新近研究成功制造量子级联激光器的技术。 量子级联激光器是当前最新形式的半导体激光器，自1994年问世后，它的商业化使用时间并不长。 量子级联激光器是之所以吸引专业人士的眼球是因为它可以制造成便携式的探测器，用来探测像地雷中的甲烷一样的化学物质数量和化学工业中泄露的危险气体；在医学上也同样可以大有作为，可以用它在病人呼出气体中探察疾病的影踪，靠其红外辐射穿透人体的手段对人体进行安全扫描，其查验效果远远超过超声波。 报道称，波兰科学家制造的量子级联激光器样机具有前所未有的功率，在室内温度下其红外辐射脉冲达到几十个毫瓦特，低温下达到五个瓦特。这个数值高于设计数值的三倍。量子级联激光器由几百个半导体层组成，被称为超晶格。超晶格层数的变化根据设计模式确定，通常达到几个纳米级。量子级联激光器在半导体材料中用独特方式采用激光传导机制。 |
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