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激光器領域取得重大突破。該團隊提出的多能態-連續態（MTC）有源區設計方案，成功實現了長波紅外波段最寬的電致發光光譜，為中紅外激光技術的多場景應用開辟了新路徑。
傳統長波紅外單有源區量子級聯激光器受限于能帶工程設計的復雜性，其電致發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需求。研究團隊創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，使兩個注入區能級與上激光能級形成強耦合。這種設計使電子可通過三個上激光能級向三個下激光能級進行對角躍遷，多個躍遷通道協同增益，顯著拓寬了有源區的增益帶寬。
實驗采用金屬有機物化學氣相沉積技術制備器件，分別測試了mesa結構和法布里-珀羅結構的量子級聯激光器。在298K溫度下，mesa結構器件在11V偏壓時實現75.6meV的電致發光光譜半高全寬，創下長波紅外波段新紀錄。該器件在電流動態范圍內展現出獨特的光譜特性：閾值電流附近呈現8.8μm的窄帶激光光譜，隨著注入電流增至2.5A，光譜寬度逐漸展寬至1.2μm，中心波長紅移至9.2μm；當電流達到反轉電流時，光譜寬度穩定在1.2μm，中心波長藍移至8.0μm。在80K低溫條件下，同一器件更獲得1.93μm的激光譜寬。
這項突破性成果有效解決了單有源區量子級聯激光器譜寬受限的技術難題，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。研究團隊通過優化能帶結構設計，實現了單個有源區在室溫下1.2μm的激光光譜寬度，標志著我國在中紅外激光技術領域達到國際領先水平。
