通过MOCVD生长的超宽带单层中红外半导体激光器

能“看见”不可见的光

许多影响我们日常生活的分子——从空气中的温室气体到呼气中的化学指纹——在光谱的中红外部分最为显著。要“聆听”这个隐秘世界，科学家依赖能够同时覆盖宽广中红外波段的紧凑半导体激光器。本文报道了一项重大进展：一种单一微观激光结构覆盖了异常宽的中红外波长范围，为更精确的环境监测、医学诊断和通过空气的安全光学链路打开了新途径。

一种新型的红外引擎

这项工作的核心器件是量子级联激光器（QCL）。与普通激光器依赖电子在两个固定能级间跃迁不同，QCL由纳米尺度的半导体层叠成的“阶梯”结构构成。电子沿着阶梯下落，每一步都会发射一个光子。通过设计阶梯的高度和间距，研究人员可以调控发射的颜色。到目前为止，要实现真正宽的中红外覆盖通常要在一块芯片内堆叠若干不同的“芯核”，每个芯核针对不同的颜色范围。该方法有效，但会使器件更复杂、散热更难，并且容易出现光谱间隙和输出不均的问题。

用单一活性层展开光谱

作者走了另一条路：他们设计了一个单一且经过精心成形的有源区，能够自然地在非常宽的中红外带宽上发射。其“多态到连续体”（multi-state-to-continuum）设计产生了若干紧密耦合的上能级和一组宽展的下能级。进入该区域的电子在上能级之间强烈混合，并可沿多条对角路径向下辐射，每条路径产生略有不同的光子能量。由于相关跃迁被设计成具有相近的强度，叠加效应形成了平滑、均匀的增益谱——意味着激光器可以近似均等地放大许多相邻颜色，而不会出现大的凹陷或峰值。

逐原子生长完美层

为实现这一设计，团队采用了有利于工业化的金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术来生长半导体结构。他们在磷化铟（InP）衬底上交替沉积超薄的InGaAs和InAlAs层，仔细调整厚度和成分以平衡内应力。原子力显微镜图像显示表面极其光滑，而高分辨率X射线测量表明50个重复周期的有源区几乎完全一致。这种结构精度至关重要：即使是轻微偏差也可能破坏能级之间的微妙平衡，从而缩窄可用的带宽。

创纪录的宽色域与强输出

当研究人员驱动小型测试结构时，测得的自发中红外发射在宽电压范围内保持非常宽，线宽约对应600 cm⁻¹——明显超过可比设计。将该结构制成脊波导激光器后，他们在室温下得到峰值输出功率达2.72瓦的脉冲，能量转换效率约为6%，这些数据与不具备如此宽覆盖的高性能器件相当。该结构在室温下围绕9微米的波长范围内覆盖约1.2微米，冷却到80开尔文时达到令人印象深刻的1.93微米，均来自同一个工程化的单层结构。在此过程中，团队还研究了激光腔内不同横向模如何竞争功率，利用远场发散模式测量和数值建模来解释在较高电流下在约8微米处出现附加峰的现象。

这对传感和频率梳的重要性

对非专业读者来说，关键在于这项工作提供了一种既强大又异常宽带的紧凑中红外光源，而无需采用复杂的多芯核结构。这种激光器可以作为多功能的“照明引擎”，用于分析气体混合物、成像微妙的化学对比，或生成中红外频率梳——其等间隔的颜色可用作测量光的超精确尺。作者认为，通过堆叠几个针对不同中心波长调谐的宽带设计，应该能够覆盖完整的一个倍频程（octave），这是长期以来的目标，将使得最先进的梳稳定化技术成为可能。简言之，这种单层、超宽带的量子级联激光器是未来仪器的有前景的构件，能够以前所未有的灵活性观察、测量并控制隐秘的中红外世界。

引用: Liu, P., Zhang, L., Wu, Y. et al. Ultra-broadband single-stack mid-infrared semiconductor lasers grown by MOCVD. Light Sci Appl 15, 196 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02268-8

关键词: 量子级联激光器, 中红外, 频率梳, 半导体激光器, 光谱学