量子級聯激光器（QCL）是一種基于單極性載流子躍遷的紅外半導體激光器，其發光機制源于電子在量子級聯結構子帶間的躍遷。這種激光器憑借其獨特的發光波長覆蓋中遠紅外波段的特性，在痕量氣體檢測、自由空間光通信、紅外對抗等領域展現出巨大的應用潛力。

長期以來，分子束外延（MBE）技術憑借其在生長參數控制精度和界面陡峭度方面的優勢，成為QCL生長的選技術。2020年，國外研究團隊基于MBE技術制備的QCL單管器件達到了室溫連續輸出功率5.6 W的業界高水平。然而，MBE技術受限于高昂的成本和較低的生長效率，難以實現大規模應用。

相比之下，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術具有成本低、生長效率高的優勢，是一種有望實現QCL大規模生產的技術，但其在材料生長參數控制精度和界面陡峭度方面稍顯不足，性能一直落后于MBE技術。

面對這一挑戰，國防科技大學半導體激光團隊創新性地采用MOCVD技術實現了QCL全外延結構的生長；通過原位監測、無損測試和破壞性測試等方法，對外延材料的質量進行了全面評估（圖1）。

圖1 使用MOCVD生長的QCL外延結構表征結果

研究結果顯示，外延材料具有光滑的表面和陡峭的異質界面，其中，原位監測可以清晰辨別出材料生長導致的反射率周期性波動，以及每一層InGaAs和InAlAs材料所對應的反射率區間。高分辨率X射線衍射衛星峰的半峰全寬低至14"，原子力顯微鏡測得表面均方根粗糙度低至0.18 nm；這些結果表明，外延材料具有較為陡峭的異質界面和高的表面平整性。

腔長為10 mm、脊寬為6 μm的器件，其室溫連續出光功率達到4.0 W，高電光轉換效率為15.3%。腔長為10 mm、脊寬為12 μm的器件，其室溫連續出光功率達到6.3 W，高電光轉換效率為15.3%，是截至目前已報道的單脊量子級聯激光器出光功率的高世界紀錄水平。

圖2 不同腔長、脊寬器件的連續出光功率-電流-電壓、電光效率的測試曲線

為解決單芯片功率受限的問題，研究團隊進一步采用空間合束技術，將多個芯片集成封裝為高功率模塊。由7個芯片組成的M7模塊在0.8 A工作電流時，室溫連續出光功率和電光轉換效率分別達到了9.3 W和12.2%。由19個芯片組成的M19模塊在1.0 A工作電流時，室溫連續出光功率和電光轉換效率分別達到了22.4 W和7.8%，這也是已報道的中波量子級聯激光模塊出光功率的世界高記錄水平。

團隊還對M7模塊進行了嚴格的壽命測試，三個模塊的無失效時間分別達到2045小時、963小時和761小時，且在整個測試期間出光功率均未出現衰減（圖3）。

圖3 量子級聯M7、M19模塊的測試曲線

后續工作中，團隊將繼續優化材料生長和器件設計，進一步提升MOCVD生長QCL的性能指標；同時開發更高集成度的激光模塊，爭取在輸出功率和電光轉換效率方面實現新的突破，并積極探索在工業檢測、環境監測、醫療診斷等領域更廣泛領域的應用前景。

參考文獻： 中國光學期刊網

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