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量子 cascade激光器（QCLs）在中红外（3-5μm）、长红外（8-14μm）和太赫兹波段（1.2-5.6THz）的应用进展及性能优化策略，包括主动区结构改进（如STA结构）、波导损耗抑制、电压缺陷优化和光子晶体设计，以提高输出功率和墙 plug效率，同时提出未来通过超晶格生长和封装技术提升太赫兹QCLs的温控与波长覆盖范围。
杜梦超|戴静静|李颖|杨瑾|宋一萌|李伟|李胜楠|田增帅|王鹏卓|王志勇
北京工业大学材料与制造学院激光工程研究所半导体光学与电子先进技术研究所，北京，100124，中国
摘要
作为一种轻便、紧凑的光源，且具有宽波长覆盖范围，量子级联激光器（QCLs）在光通信、红外成像和红外对抗技术中得到了广泛应用。因此，开发能够在室温（RT）下工作的高功率连续波（CW）QCLs引起了广泛关注。本文全面回顾了QCLs在中红外、长波红外和太赫兹光谱范围内的发展及其性能提升策略。在中红外范围内，分流型载流子泄漏是限制QCLs性能的主要因素，大多数活性区结构优化都集中在解决这一问题上。采用光子诱导载流子传输（PICT）效应的阶梯式活性区（STA）结构是最有前景的方案之一，该结构在4.9μm波长下实现了22%的墙插效率（WPE）和5.6W的室温连续波输出功率。通过持续优化外延生长和器件封装技术，有望进一步提高性能。在长波红外范围内，波导损耗和电压缺陷显著影响器件性能；通过优化波导层并最小化电压缺陷，一种高差分增益活性区结构实现了3.4W的输出功率和12.8%的WPE。对于太赫兹量子级联激光器（THz QCLs）而言，提高温度性能和扩展波长范围仍然是关键挑战。目前的THz QCLs工作温度可达261K，覆盖1.2–5.6THz的频率范围。未来，新型活性区设计、低损耗波导结构、超表面和光子晶体结构可能为THz QCLs的发展提供新的途径。
部分摘录
介绍
1960年，西奥多·H·梅曼发明了世界上第一台激光器。作为一种极其强大的光源和工具，激光器具有高单色性、高亮度和优异的方向性，这些特性使其迅速成为工业生产和日常生活中的重要工具。
激光器可以根据波长进行分类，其中3–5μm和8–14μm的红外范围以及30–3000μm的太赫兹范围被认为是重要的“大气窗口”，因为这些波段的光能够较好地穿透大气层。
发展历史
QCLs的诞生归功于能带结构工程和外延生长技术的突破。1971年，苏联约菲研究所的埃萨基和津[14]首次提出了“微带”概念，用于描述人工设计的一维载流子分布，并预测了它们的传输特性。一年后，卡扎里诺夫和苏里斯[15]提出了一种利用超晶格中离散子带进行光放大的方案。
工作原理
QCLs是量子工程和分子束外延（MBE）技术进步的创新成果。它们是基于半导体耦合量子阱中的子带间载流子跃迁的单极半导体激光器。图3展示了原始的三阱SPR QCLs结构示意图。
作为QCLs的核心，活性区在决定器件性能方面起着决定性作用。它通常由多个耦合的量子阱或超晶格结构组成[65]。
3–5μm中红外范围
作为重要的大气传输窗口之一，3–5μm中红外范围受到了QCLs发展的广泛关注。
这一光谱范围内QCLs输出功率和WPE的最新进展主要归功于活性区设计的持续改进。首个实现瓦级输出功率的方案基于DPR设计[32]、[77]、[78]。在此基础上，又开发了多种替代方案，包括NRE设计[26]、[31]和SW设计。
结论
经过三十多年的发展和技术进步，QCLs取得了显著进展。某些波长段的商用QCLs已经实现了超过瓦级的输出功率。QCLs正逐渐成为中红外光谱区域的主要激光光源。然而，其性能仍未能达到理论极限。
在4.5–5μm波长范围内工作的中红外QCLs中，性能下降主要是由于分流型载流子泄漏现象所致。
作者贡献声明
田增帅：研究工作。王鹏卓：研究工作。李伟：研究工作。李胜楠：方法论研究。杜梦超：撰写初稿、方法论研究、数据分析、正式分析。戴静静：指导工作。王志勇：指导工作、资金争取、审稿与编辑。杨瑾：指导工作。宋一萌：指导工作。李颖：方法论研究
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
