日前，美国Princeton大学和英国Sheffield大学的研究人员合作开发出双波长输出的中红外量子级联（QC）激光器，该项研究的负责人为Princeton大学电子工程系中红外技术在健康和环境领域应用中心（MIRTHE）的主任Claire Gmachl教授。该QC激光器采用不同于传统QC激光器的运行机制和运行温度，为QC激光器在医疗诊断和环境遥感领域的应用开辟了新的道路。

Princeton大学电子工程系研究生Kale Franz表示：“这项研究表明，我们需要重新审视以往对QC激光器的认识，对QC激光器的载流子动力学行为进行更加深入的研究，这样做将有望在今后进一步改进QC激光器的性能。Gmachl Princeton表示：“改进QC激光器的性能可以提高光谱激光系统的特性，实现更加灵活、成本更低的应用。”

Kale Franz和他的同事Stefan Menzel仔细研究了一些最初难以解释的数据，这些数据表明存在第二个激光波长，并且其性能与温度有关。随之，他们发明了高K-空间（K代表波数，即电子动量）激光器。

激光产生的机制源于粒子数反转，在这个过程中电子先被泵浦到较高的能级，随后电子从高能级跃迁到低能级，同时辐射光子。在单个能带内，电子通常位于K-空间最低值，即零附近。光跃迁通过这些低K值电子产生。在QC激光器中，利用K值为零的空间非局域能态准平衡电子，粒子数反转可以实现最大化。

研究人员设计了一种独特的QC激光器结构，利用电子从能态５跃迁到能态４（5→4）实现第一个波长（见图）。传统的QC激光器电子从能态3跃迁到能态2（3→2）。5→4跃迁产生激光振荡的同时，4→2跃迁也产生激光振荡，因此可以实现双波长输出的QC激光器。5→4跃迁对应波长为9.5µm的激光，4→2跃迁对应波长为8.2µm的激光。

图：QC激光器的导带图。通过注入电子进入QC有源区域，当运行温度为80K时，可以同时产生9.5µm和8.2µm的双波长激光输出。当温度高于85K时，8.2µm的激光输出具有更低的振荡阈值和更好的辐射特性。

研究人员还发现，4→2跃迁具有高K-空间。QC激光器的一个损耗机制是高能态电子产生声子而不是光子。在研究人员设计的双波长输出QC激光器中，能态5泄漏的声子填充在高K-空间能态4上。通常在QC激光器中，该进程的共振隧穿填充K大约为零的激光上能态。通过特定设计可以使4→2跃迁发生在高K-空间。

第二个波长的特性

除了双波长振荡特性外，高K-空间波长为8.2µm的激光输出具有许多令人兴奋的特性，这些特性与温度和阈值电流有关。在工作温度约为80K时，两种波长的激光同时振荡。5→4跃迁和典型的QC激光器亚带内跃迁一样，在低温时输出功率达到最大值，同时阈值电流达到最小值。对于9.5µm波长而言，这一温度为125K。4→2跃迁在温度接近100K时效率最高，在较低温度下激旋光性能显着降低。对于宽度为1.48mm、长度为12.1µm的器件而言，在温度为85K时，4→2跃迁的阈值电流比5→4跃迁的阈值电流低。

利用激光速率方程表征受激辐射模型的结果表明，当温度升高时，电子从能态5迁移到能态4，然后在能态4和能态2之间实现激光跃迁。此外，对于4→2跃迁而言，光吸收损耗大约是5→4跃迁的1/10，因此8.2µm波长具有更高的振荡效率。这一发现为利用K-空间分布设计更高温度运行、效率更高的激光器开启了大门。

研究人员通过创新的QC激光器设计已经能够实现高K-空间激光振荡，Franz表示：“我们很幸运，这一设计的最初目的并非高K-空间激光振荡。未来的研究工作将瞄准优化K-空间激光过程。”

参考文献：
1. K.J. Franz et al., Nature Photonics 3(1) p. 50 (January 2009).