量子級聯雷射器的工作原理與通常的半導體雷射器截然不同，它打破了傳統p-n結型半導體雷射器的電子-空穴複合受激輻射機制，其發光波長由半導體能隙來決定。QCL受激輻射過程隻有電子參與，其激射方案是利用在半導體異質結薄層内由量子限制效應引起的分離電子态之間産生粒子數反轉，進而實作單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發光波長。
量子級聯雷射器比其它雷射器的優勢在于它的級聯過程，電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個過程再次發光。這個級聯過程使這些電子 “循環”起來，進而造就了一種令人驚歎的雷射器。是以，量子級聯雷射器的發明被視為半導體雷射理論的一次革命和裡程碑。
量子級聯雷射器的特點
量子級聯雷射理論的創立和量子級聯雷射器的發明使中遠紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導體雷射器的實作成為可能。一般而言，量子級聯雷射器系統包括量子級聯雷射子產品，控制子產品以及接口子產品。量子級聯雷射器從結構上來說，可以分為分布回報（Distributed Feedback）QCL，F-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity）QCL。量子級聯雷射器由于其獨特的設計原理使其具有如下的獨特優勢：
1：可以提供超寬的光譜範圍（mid IR to THz）。
2：極好的波長可調諧性。
3：很高的輸出功率，同時也可以工作在室溫環境下。
目前國際上已研制出3.6～19μm 中遠紅外量子級聯雷射器系統。随着技術的進步，目前量子級聯雷射器不但能以脈沖的方式工作，而且可以在連續工作的方式輸出大功率雷射。雷射子產品将QC 雷射器裝進一個氣密性封裝内，最大限度的保護了雷射器的性能和壽命。
量子級聯雷射器的分類：
QC雷射器的基本結構包括FP-QCL（上圖）、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益媒體顯示為灰色，波長
選擇機制為藍色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。
1.最簡單的結構是F-P腔雷射器（FP-QCL）。在F-P結構中，切割面為雷射提供回報，有時也使用媒體膜以優化輸出。
2.第二種結構是在QC晶片上直接刻分布回報光栅。這種結構（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結構低很多。通過最大範圍的溫度調諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調諧（通過緩慢的溫度調諧獲得10~20cm-1的調諧範圍，或者通過快速注進電流加熱調諧獲得2~3cm-1的範圍）。
3.第三種結構是将QC晶片和外腔結合起來，形成ECqcL。這種結構既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC晶片整個增益帶寬上（數百cm-1）提供快調諧（速度超過10ms）。由于ECqcL結構使用低損耗元件，是以它可在便攜式電池供電的條件下高效運作。
量子級聯雷射器的應用
中遠紅外量子級聯雷射器作為一種高新技術有着非常重要的其他雷射器無法替代的用途，包括：
高精度氣體傳感領域 – TDLAS
生化戰劑探測
雷射光譜學- R&D
遠端探測- LIDAR
産品測試–雷射器和探測器
空-空，空-地搜尋與跟蹤，射程發現–軍事太空
光電對抗
大氣污染監測
量子級聯雷射器在雷射光譜學- R&D，生化戰劑探測，遠端探測- LIDAR ，産品測試–雷射器和探測器 ，光電跟蹤與搜尋，光電對抗等方面的應用也随着量子級聯雷射器技術的日趨成熟越來越受到歐美等發達國家的高度重視，并投入大量的人力物力進行中遠紅外量子級聯雷射器的應用技術的開發。
在民用方面以量子級聯雷射器在氣體傳感方面的高端應用火山探測為例對其應用做一個比較詳細的說明。
早期探測火山動靜還有一種更令人看好的方法，那就是觀察二氧化碳中碳同位素比例的變化。大氣中碳12 對碳13 的比例大緻是90 比1，但在火山氣體中這一比例可能顯着不同。此比例即使隻改變0.lppm(百萬分之一)，也可能意味着在火山下積聚或沿着火山上升的熔岩所釋放出的二氧化碳湧入了大氣。雷射器有助于探測這一變化，因為碳12 和碳13 所吸收的中紅外光其波長略有差異。用于此目的的雷射器必須具有在中紅外波段上連續調諧的性能。先前研究人員使用的是鉛鹽雷射器，此種雷射器需要液氮冷卻，因而難以在現場使用。此外，鉛鹽雷射器屬低功率型器件，其功率不過百萬分之幾瓦，而且所發出的頻率往往不穩定。其他碳同位素掃描方法也與此相仿，都隻限于在實驗室内使用。
美國和英國的其他一些科學家與意大利政府合作，設計出一種以量子級聯雷射器為核心的火山監測系統。這樣一種半導體雷射器可以在很寬的頻率上發出高功率的雷射，而且結構堅牢，也不需要液氮冷卻，是以小得可以放進皮鞋盒子裡。
上述研究人員對尼加拉瓜若幹火山口噴出的氣體首次試用他們的雷射器進行了測量。新的現場試驗将選擇一些條件惡劣的火山現場來檢查該系統的性能和精度。美國科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心的研究工程師Dirk Richter 說，設計一套“在堪稱地球上最惡劣、最考驗人的環境中運作”的系統可謂困難重重。”
如果這種儀器果然奏效，有關方面将打算在火山口周圍設定雷射預警系統，每台裝置将實時發送測量資料。虛警事件應當不會出現，因為熔岩中的碳同位素比例與地殼中的碳同位素比例有顯着差異。此外，雷射器探測到的變動是在數周乃至數月的期間内發生的，這樣就有時間比較其它儀器所獲得的資料，并從容地通知居民疏散。英國牛津郡盧瑟福-艾普爾頓實驗室的實體學家、Tittel 小組的成員Damien Weidmann 說，“我們這個系統的目标是避免一場維蘇威火山爆發式的浩劫。”系統樣機的現場測試定于2005 年春在羅馬東南有火山活動的阿爾班丘陵地區進行，同時，在美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的火山地區也進行同樣的測試。
在軍用方面以量子級聯雷射器在爆炸物和生物戰劑的檢測為例做一個比較詳細的說明。
倫敦恐怖爆炸案後，如何有效探測爆炸物和化學戰劑的問題再次凸現。美國西北大學量子器件中心主任拉澤格上司的小組首次使用能夠在常溫下高功率運作，發射出波長9.5 微米、功率大于100 毫瓦的量子級聯雷射器(QCL)進行爆炸物和化學戰劑探測系統的開發，堪稱一個重大技術突破。這種小型雷射器實用化後，可對爆炸物和化學戰劑快速進行早期探測，以對可能的恐怖威脅實施預警。小組成員墨非教授說：“成功的關鍵在于雷射源，探測技術需要的中遠紅外二極管雷射器要求在室溫下工作，功率要超過100 毫瓦，體積小便于人員攜帶。” 由于不同化學物質吸收特定頻率的光，是以它們都具有自己唯一的“指紋”。化學戰劑的“指紋”都在遠紅外範圍内，是以，各國科學家在進行應用系統的開發時都面臨的共同問題是如何得到一種能夠在遠紅外波長範圍内工作的便攜式雷射器。此項研究是由美國國防部國防先進技術研究計劃署資助的，目的是開發便攜式中遠紅外雷射器系統，對恐怖威脅進行預警。一經投入使用，可有效探測爆炸物和化學戰劑，能夠将它們與空氣中存在的非敵意化學物質進行差別。
2009年，美國Pranalytica公司赢得了美國DARPA一份小型企業創新研究（SBIR）計劃，參與了美國陸軍航空和飛彈司令部（AMCOM）開發的高能量子級聯雷射器（Quantum Cascade Laser，QCL）陣列光束耦合Phase I的計劃。該計劃是為了滿足美國國防部在定向紅外幹擾（directional infrared countermeasures，DIRCM）、先進防區外化學傳感器和雷射雷達（Laser Radar，LADAR）領域的需求而創立的。據一名廠家代表透露，其潛在的非軍事應用包括：國内航線對肩射飛彈的DIRCM防禦、有毒工業廢氣探測和大氣污染監測。據Pranalytica公司總裁介紹：“我們的目标是保護飛機免遭肩射飛彈襲擊、探測戰場有害元素、以及創造戰區虛拟圖像，而高能量子級聯雷射器陣列的光束耦合向這些目标邁進了一步。上述應用能夠為士兵制造出一片絕對安全的戰場空間。”
Pranalytica公司已經推出多系列包括脈沖，連續，多波長，波長可調，寬光譜，波長鎖定量子級聯雷射器，波長覆寫範圍從3.8微米到12微米，室溫下功率高達4W，是目前商用市場上功率最高的中紅外雷射器。目前Pranalytica公司已攜手上海昊量光電裝置有限公司在國内市場上推廣其産品。
由于中遠紅外量子級聯雷射器具有獨特的優點，必将随着其技術的不斷進步而在軍用和民用方面得到越來越廣泛的應用。
量子級聯雷射器的典型二階能級圖如圖所示，其中，導帶傾斜是由外界電場造成的。從圖中可知，每一階能級都由注入區(injector)和有源區(activeregion)共同構成。有源區包含三個量子态：1态、2态和3态。由3态和2态能量差定義的雷射躍遷是由這兩個量子态勢阱厚度的選擇決定的。雷射輸出需要3态和2态之間的粒子數反轉，這個過程要求3态的壽命比2态長。為了達到這個目的，1态要比2态低一個光聲子的能量，這樣才能確定2态的電子通過發射一個光聲子快速擴散到1态。由于諧振特性，這個過程速度非常快，可以用弛豫時間定義，約為0.1–0.2ps。因為3态與2态之間的更大的能量差，3态中的電子反而具有較長的壽命，是以電子-光子擴散過程是非諧振的。有源區3态中的電子發生受激輻射躍遷到2态，此過程産生一個單光子，與此同時，2态釋放一個光聲子，發生共振并快速弛豫到1态，在光聲子協助下,電子隧穿注入區的微帶并注入到下一階有源區的3态上。如此往複，達到單電子注入N個光子輸出的目的(N為級聯的階數)，進而産生級聯雷射。此外，為了産生雷射，必須抑制不必要的電子逃逸通道，而且要注意2态和1态表面狀态簇的稠密情況，另外，當偏置電壓超過某個值時，要確定電子注入較高能态的高選擇性。 目前，QCL、ICL等新型紅外光源已逐漸取代紅外熱光源、紅外發光二極管等傳統光源，成為紅外光源中的主導力量。QCL是目前中遠紅外範圍内進行氣體檢測的優勢光源，它具有室溫工作、高功率、窄線寬以及能夠工作于中紅外區域(2.75–25μm)等特點。QCL具有波長調諧範圍寬，體積小，重量輕，結構更加緊湊，不需要低溫制冷等突出優點。同時，QCL的激射光譜範圍能夠對兩個大氣透視窗進行覆寫，故與其他類型的光源相比存在很大優勢~
（轉載自百度百科 以及 知乎 朱元軍 連結：https://www.zhihu.com/question/29225585/answer/159247191）