量子级联激光器(Quantum cascade laser, QCL)是一种利用能带级联机制实现激光输出的半导体激光器。相对于传统的半导体激光器，QCL具有更宽的工作波长范围、更高的功率和更窄的谱线宽度等优点，特别适用于红外光谱区域的探测和成像。
量子级联激光器
工作原理
QCL是基于一系列由不同宽度的量子阱组成的超晶格结构，并通过能带级联实现电子跃迁从而实现激射。具体来说，QCL中的每个量子阱都包含多个井，每个井都被限制在一个很小的空间范围内，使得电子的能量是量子化的。QCL的超晶格结构被设计为电子需要在不同的能级之间穿越以完成电子跃迁过程。这种能带级联机制可以实现高效的电子注入和抽运，同时也可以避免吸收和散射损失。
当施加电压时，在单个阱中的电子会通过跃迁从一个能级到另一个能级，最终到达与相邻阱中的能级匹配的能级。这个过程中，电子跃迁释放出一个光子，并且该光子的能量是与电子跃迁前后的能级差相对应的。通过将多个阱组合在一起，可以形成一个量子级联结构，其中每个阱都被设计为产生不同波长的激光输出。因此，QCL具有广泛的工作波长范围。
优点
与传统的半导体激光器相比，QCL有以下几个优点：
(1)更宽的工作波长范围： QCL能够实现从近红外到远红外范围内的连续波输出，包括短波红外(SWIR)，中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)等波段。
(2)更高的功率：QCL的超晶格结构可以实现高效的注入和抽运，使得QCL具有非常高的功率密度，达到了千瓦级的水平。
(3)更窄的谱线宽度：QCL的激光输出具有非常窄的谱线宽度，通常只有几纳米左右，这使得QCL在分辨率要求较高的应用中具有优势。
(4)可调谐性：通过调整量子阱的设计和电压的施加，可以实现QCL的波长可调谐。
应用
由于其广泛的工作波长范围和其他优点，QCL在很多应用领域都有着潜在的用途。以下是一些主要的应用领域：
(1)光谱学：QCL可以用于红外吸收光谱分析，例如气体检测和生物医学成像。
(2)激光雷达/Lidar：QCL作为光源可以用于激光雷达系统中，特别是在自动驾驶汽车、机器人和无人机等领域。
