量子カスケードレーザー
QCLは通常、3準位系を基礎とする。波動関数の形成が状態間の散乱と比較して十分速い過程であると仮定すると、非時間依存シュレーディンガー方程式の解として与えられる準位間の、遷移速度をレート方程式により記述することで系をモデル化することができる。各サブバンド間は寿命 τ i f {\displaystyle \tau _{if}} (平均サブバンド間の散乱速度 W i f {\displaystyle W_{if}} の逆数、 i {\displaystyle i} と f {\displaystyle f} は始状態と終状態を指定する添字)で散乱され、各サブバンドの占有電子数は n i {\displaystyle n_{i}} ( i {\displaystyle i} はサブバンドを指定する添字)、サブバンドは3準位のみとすると、次のレート方程式を得る。
d n 3 d t = I i n + n 1 τ 13 + n 2 τ 23 − n 3 τ 31 − n 3 τ 32 {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} n_{3}}{\mathrm {d} t}}=I_{\mathrm {in} }+{\frac {n_{1}}{\tau _{13}}}+{\frac {n_{2}}{\tau _{23}}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{31}}}-{\frac {n_{3}}{\tau _{32}}}}
ファブリーペロー(FP)量子カスケードレーザーは1998年に発売され、帰還型素子(DFB)は2004年に発売され、広帯域波長可変外部共振器量子カスケードレーザーは2006年に発売された。高出力光、可変波長領域と室温作動はQCLを環境中のガス分析や大気汚染物質の調査のような分光による遠隔観測や保安用途で便利なものにした。さらに視界不良の条件下でのクルーズコントロールでの衝突回避レーダー、産業工程制御、呼気検査のような医療診断において利用が期待される。同様にQCLはプラズマ化学においても使用される。
複数のレーザー装置で使用する場合、間欠パルスQCL分光法は毒性化学物質、爆発物、薬物等の複雑な分子の識別、定量分析に使用可能な広帯域分光領域をもたらす可能性がある
量子ヘテロ構造を形成する2つの異なる半導体の接合界面は、分子線エピタキシー (MBE)や有機金属気相成長法(MOCVD)としても知られている有機金属気相成長法 (MOVPE)などの方法を用いて基板上に成長させる。
これはもっとも単純な量子カスケードレーザーである。導光路が最初に量子カスケード材料の外部に利得媒質のために形成される。半導体結晶の端部は導光路のファブリーペロー共振器を形成するために2個の平行の反射鏡を形成するように劈開、研磨される。半導体の端部の劈開面は共振器を形成するために十分な反射率を有する。ファブリーペロー量子カスケードレーザーは高出力を発生できるが通常は高い動作電流においてマルチモードである。波長はQC素子の温度を変えることによって変更できる。