中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的科研團隊在量子級聯(lián)激光器領域取得重要突破。由孟博研究員領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)設計方案，相關成果發(fā)表于國際權威期刊《light: science & applications》。該研究通過多能態(tài)-連續(xù)態(tài)（MTC）結構設計，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，為中紅外光學頻率梳、超短脈沖生成等前沿技術提供了關鍵器件支撐。

傳統(tǒng)長波紅外量子級聯(lián)激光器受限于有源區(qū)能帶工程設計的復雜性，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控與精密測量的應用需求。研究團隊創(chuàng)新性地采用對角躍遷機制，通過應力補償材料體系構建MTC結構，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氣相沉積（MOCVD）技術完成器件外延生長，制備了mesa結構和法布里-珀羅（FP）結構兩種量子級聯(lián)激光器。在298K室溫條件下，mesa結構器件在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寬度紀錄。當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設計的溫度適應性。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)化能帶結構設計，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。