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量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser）是一種能夠發(fā)射光譜在中紅外和遠(yuǎn)紅外頻段激光的半導(dǎo)體激光器。

量子級聯(lián)激光器

工作原理：

- 傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光機(jī)制是導(dǎo)帶的電子和價帶中的空穴復(fù)合發(fā)光，其激射波長由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所決定。而量子級聯(lián)激光器是利用電子在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶的子帶間躍遷和聲子共振輔助隧穿從而產(chǎn)生光放大，其出射波長由導(dǎo)帶的子帶間的能量差所決定，和半導(dǎo)體材料的禁帶寬度無關(guān)。所以可以通過設(shè)計量子阱層的厚度來實(shí)現(xiàn)對其激射波長的控制。

主要特點(diǎn)：

- 波長覆蓋范圍寬：能覆蓋中遠(yuǎn)紅外到太赫茲波段，理論上波長范圍約為3-250μm，并且可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計特定波長的激光輸出，這極大地擴(kuò)展了半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍。

- 單極型結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器為雙極型，而量子級聯(lián)激光器全程只有電子參與，空穴不參與輻射發(fā)光過程，因此其出射的激光具有很好的單向偏振性。

- 高的電子利用效率：由于其獨(dú)特的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，電子在參與完子帶間躍遷發(fā)光后，會注入到下一個級聯(lián)結(jié)構(gòu)中繼續(xù)躍遷發(fā)光，電子利用效率大幅度提高，理論上更容易獲得大功率激射。

- 可室溫工作：常規(guī)半導(dǎo)體激光器中電子和空穴的分布對溫度十分敏感，在長波長區(qū)域，俄歇效應(yīng)將限制器件的高溫工作。而量子級聯(lián)激光器有源區(qū)中子帶波函數(shù)曲率接近相同，不易產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，可在室溫下工作，最高的連續(xù)工作溫度可達(dá)150°C。

- 尺寸較小：量子級聯(lián)激光器管芯的長度一般為3mm左右，便于移動和操作，也易于系統(tǒng)化和集成化。

應(yīng)用領(lǐng)域：

氣體檢測：

- 環(huán)境監(jiān)測：可檢測大氣中的各種污染氣體，如二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）等，對于評估空氣質(zhì)量、監(jiān)測大氣污染變化以及研究氣候變化等具有重要意義。例如，科研團(tuán)隊(duì)曾利用量子級聯(lián)激光器搭建開路式氣體檢測系統(tǒng)對城市空氣質(zhì)量進(jìn)行評估。

- 工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控：在石油化工、金屬冶煉、礦山開采等行業(yè)，可實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體濃度，以便進(jìn)行進(jìn)程監(jiān)控和安全監(jiān)控，預(yù)防危險氣體泄漏引發(fā)的安全事故。比如，可以使用特定波長的量子級聯(lián)激光器檢測工業(yè)燃燒排氣系統(tǒng)中的NO氣體以及爆炸物產(chǎn)生的氣體。

- 醫(yī)學(xué)診斷：某些疾病會導(dǎo)致人體呼出氣體成分的異常變化，通過量子級聯(lián)激光器對呼出氣體的種類和濃度進(jìn)行準(zhǔn)確分析，能夠?yàn)榕R床診斷和治療提供有價值的參考，且相比使用CT等儀器，該方法不會給患者帶來過多輻射。

自由空間通信：

太赫茲（THz）通信是未來通信領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，具有帶寬寬、天線小、定向性好、安全性高和散射小等特點(diǎn)。量子級聯(lián)激光器作為THz源發(fā)射器之一，能夠?yàn)樽杂煽臻g通信提供高質(zhì)量的激光光源，在未來的無線通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

材料分析：

可用于分析材料的成分和結(jié)構(gòu)。例如，通過測量材料對特定波長激光的吸收、反射或散射等特性，研究人員可以了解材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)以及分子間的相互作用等信息，為材料科學(xué)研究和新材料的開發(fā)提供重要手段。

激光制導(dǎo)：

在激光制導(dǎo)系統(tǒng)中，量子級聯(lián)激光器可以提供高精度的激光信號，用于引導(dǎo)導(dǎo)彈、炸彈等武器準(zhǔn)確命中目標(biāo)，提高制導(dǎo)精度和抗干擾能力。

安全檢查：

可應(yīng)用于機(jī)場、車站等場所的安全檢查，檢測行李、包裹中是否存在爆炸物、毒品等違禁物品。其高靈敏度和快速檢測的特點(diǎn)，能夠提高安全檢查的效率和準(zhǔn)確性。

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