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量子级联激光器的发展背景

时间：2011-12-31 22:43:45  来源： 打印本文

量子级联激光器的发展背景

2006/2/6/9:28    1994年美国贝尔实验室发明的量子级联激光器(QCL)开创了具有基础性、战略性、前瞻性的半导体激光前沿领域。3～5μm中红外波段，8～14μm远红外波段是十分重要的大气窗口，工作于该波段的激光器和探测器对国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义，然而，中远红外激光器的发展却相当迟缓，其原因是无论是1962年发明的同质结激光器还是20世纪70年代发明的GaAs/A1GaAs异质结激光器或是量子阱激光器，这类常规的pn结半导体激光器的激射是依赖于半导体材料价带的空穴和导带的电子复合，以光子的形式辐射能量，实现激射，其激射波长完全由半导体材料的能隙(禁带宽度)决定，由于自然界缺少能隙适于中远红外波段的理想的半导体材料而导致中远红外波段半导体激光器发展缓慢。20世纪70年代以来，科学家力图通过建立新的半导体激光激射理论以期从根本上突破中远红外半导体激光器长期停滞的局面。1971年前苏联科学家Kazatinov和Suris提出了光助隧穿的概念，即带间子带的发光能量等于隧穿初态和终态电子能级的差异，这一概念经美国贝尔实验室科学家的发展，于1986年Capasso博士提出隧穿电子在量子阱区带内子带发光的新思想，之后1988年H.L.Liu(刘惠春)博士建议采用三阱结构实现中远红外发光。但随后人们逐步认识到由于载流子辐射寿命为纳秒(10-9)量级，远远高于光学声子的能量寿命(10-12，皮秒数量级)，要实现高于光学声子能量(36meV)的带内子带粒子数反转相当困难。90年代初，贝尔实验室采用InGaAs/InA1As体系，设计了三阱结构，并将注入阱阱宽压缩至0.8～1nm，从而将注入阱能级到有源阱能级的光子跃迁寿命降至光学声子能量寿命数量级，使有源区带内子能级间的粒子数反转成为可能贝尔实验室的科学家将近20年发展起来的分子束外延技术成功地实现了单原子层尺度的量子级联结构的生长，于1994年宣布发明第一只4.3μm中红外量子级联激光器。与传统的pn结半导体激光器二极管不同，量子级联激光器是单极型激光器，它只有电子参加，通过量子阱导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量，发射光子并隧穿到下一级，一级一级传递下去，其激射波长取决于由量子限制效应决定的两个激发态之间的能量差，而与半导体材料的能隙地匀。因此，量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。目前国际上已研制出3.6～19μm中远红外量子级联激光器。8μm的分布反馈量子级联激光器已进入实用化，8.4μm脉冲QCL工作温度已高于150℃。正因为它在学科发展和应用两方面的重要意义，以及中远红外波段的敏感性，因此文献只给结果，不描述科学技术关键。
    1994～1995年间，对问世不久的量子级联激光器进行了系统的调研之后，进一步认识到QCL的问世开拓了极为重要和极为敏感的中远红外半导体量子光电子前沿领域，既具有丰富的物理内涵，能促进新学科、交叉学科和原子层量级材料科学和生长技术的发展，而且在国家安全，环保，新一代通信光源领域有重要的应用前景。我国当时在这一前沿学科领域尚处于全面空白，因此从1995年开始，我们在这一新开创的领域进行了艰辛的探索，并先后被中国科学院上海分院列为择优基金和被列为“九五”中国科学院基础性研究重大项目以及随后得到知识创新项目的支持，使得项目在量子级联激光理论，量子级联激光器结构设计，量子级联激光器材料生长和器件验证，量子级联激光器材料和器件表征方法和技术取得了可喜的进展，并于1999年10月进行了阶段成果鉴定。