中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的科研團隊在量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域取得重要突破。由孟博研究員領(lǐng)銜的團隊提出了一種創(chuàng)新的中紅外單核量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計方案，相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊《light: science & applications》。該研究通過多能態(tài)-連續(xù)態(tài)（MTC）結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功實現(xiàn)了超寬增益譜和室溫激光光譜的量子級聯(lián)激光器，為中紅外光學(xué)頻率梳、超短脈沖生成等前沿技術(shù)提供了關(guān)鍵器件支撐。

傳統(tǒng)長波紅外量子級聯(lián)激光器受限于有源區(qū)能帶工程設(shè)計的復(fù)雜性，其電致發(fā)光光譜半高全寬普遍低于600cm?1，難以滿足寬帶光譜調(diào)控與精密測量的應(yīng)用需求。研究團隊創(chuàng)新性地采用對角躍遷機制，通過應(yīng)力補償材料體系構(gòu)建MTC結(jié)構(gòu)，使兩個注入?yún)^(qū)能級（4和6）與上激光能級5形成強耦合。這種設(shè)計使電子可通過三個上激光能級（4-6）向下激光能級（1-3）進行對角躍遷，多個躍遷通道同時貢獻增益，顯著拓寬了有源區(qū)的增益帶寬。

實驗驗證環(huán)節(jié)，科研人員利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)完成器件外延生長，制備了mesa結(jié)構(gòu)和法布里-珀羅（FP）結(jié)構(gòu)兩種量子級聯(lián)激光器。在298K室溫條件下，mesa結(jié)構(gòu)器件在11V偏壓下測得電致發(fā)光光譜最大半高全寬達75.6meV，創(chuàng)下長波紅外波段最寬EL寬度紀(jì)錄。當(dāng)注入電流從閾值電流增至2.5A時，器件光譜寬度隨電流升高逐漸展寬，中心波長從8.8μm紅移至9.2μm；進一步增加電流至反轉(zhuǎn)電流時，光譜寬度持續(xù)拓寬至1.2μm，中心波長最終穩(wěn)定在8.0μm，展現(xiàn)出優(yōu)異的電流調(diào)諧特性。

低溫測試數(shù)據(jù)顯示，同一器件在80K條件下可獲得1.93μm的激光譜寬，進一步驗證了MTC設(shè)計的溫度適應(yīng)性。該成果突破了單有源區(qū)量子級聯(lián)激光器譜寬受限的技術(shù)瓶頸，為中紅外頻率梳、高精度寬光譜傳感、成像及自由空間通信等領(lǐng)域提供了集成化高效光源解決方案。研究團隊通過優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功實現(xiàn)了從電致發(fā)光到激光輸出的全光譜展寬，為量子級聯(lián)激光器的實用化進程注入新動能。