Кванттық каскадты лазерлер: Жұмыс принципі мен мүмкіндіктері
Quantum-cascade laser
Кванттық каскадты лазерлер (QCL) – жақын және алыс инфрақызыл сәуле шығаратын жартылай өткізгіш лазерлер. Құрылымы, қағидалары, қолданылуы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық каскадты лазерлер (QCL) – электромагниттік спектрдің орташа және алыс инфрақызыл бөлігінде сәуле шығаратын жартылай өткізгіш лазерлер. Олар алғаш рет 1994 жылы Жером Фейст, Федерико Капассо, Дебора Сивко, Карло Сиртори, Альберт Хатчинсон және Альфред Чо Bell Laboratories зертханасында көрсеткен. Материалдың энергиялық жолағында электрон-тесік жұптарының рекомбинациясы арқылы электромагниттік сәуле шығаратын әдеттегі жартылай өткізгіш лазерлерден өзгеше, QCL-дер бірполярлы болып табылады, ал лазерлік эмиссия жартылай өткізгіштің көптеген кванттық құдықтарынан тұратын гетероструктуралардың қайталама қабаттарындағы ішкі жолақтык өтулер арқылы жүзеге асырылады. Бұл идея алғаш рет 1971 жылы Р.Ф. Казаринов пен Р.А. Сурис «Суперторлы жартылай өткізгіште электромагниттік толқындарды күшейту мүмкіндігі» атты мақаласында ұсынылған.
Quantum cascade lasers (QCLs) are semiconductor lasers that emit in the mid to far infrared portion of the electromagnetic spectrum and were first demonstrated by Jérôme Faist, Federico Capasso, Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson, and Alfred Cho at Bell Laboratories in 1994. Unlike typical interband semiconductor lasers that emit electromagnetic radiation through the recombination of electron–hole pairs across the material band gap, QCLs are unipolar, and laser emission is achieved through the use of intersubband transitions in a repeated stack of semiconductor multiple quantum well heterostructures, an idea first proposed in the article "Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice" by R. F. Kazarinov and R. A. Suris in 1971.
Суббайталық және аралық жолақтар арасындағы ауысулар
Үлкен жартылай өткізгіш кристалда электрондар екі үздіксіз энергия жолағының бірінде орналаса алады: төмен энергиялы электрондар көптеп шоғырланған валенттік жолақта және жоғары энергиялы электрондар сиреп орналасқан өткізгіш жолақта. Екі энергия жолағы арасында электрондарға рұқсат етілген күйлердің жоқ болатын энергиялық аралық орналасқан. Дәстүрлі жартылай өткізгіш лазерлік диодтар жарық шығару үшін өткізгіш жолақтағы жоғары энергиялы электронның валенттік жолақтағы бос орынмен қайта бірігуі нәтижесінде пайда болатын бір фотонды қолданады. Сондықтан лазерлік диодтардың фотон энергиясы және сәуле шығару толқын ұзындығы қолданылатын материалдық жүйенің энергиялық аралығымен анықталады. Алайда, QCL (кванттық каскадтық лазер) оптикалық белсенді аймағында жартылай өткізгіш материалдарды қолданбайды. Оның орнына, ол әртүрлі материалдық құрамы бар жұқа қабаттардың периодтық тізбегінен тұрады, бұл суперторды құрайды. Супертор құрылғының ұзындығы бойынша өзгеретін электр потенциалын тудырады, яғни электрондардың құрылғының ұзындығы бойынша әртүрлі орналасу мүмкіндігі бар. Бұл бір өлшемді көп кванттық құдыққа шектеу деп аталады және рұқсат етілген энергиялар жиынтығының бірнеше дискретті электрондық қосалқы жолақтарға бөлінуіне әкеледі. Қабаттардың қалыңдығын тиісті түрде жобалау арқылы лазерлік сәуле шығару үшін қажетті жүйедегі екі қосалқы жолақ арасында популяция инверсиясын жасауға болады. Энергия деңгейлерінің орналасуы негізінен материалға емес, қабаттардың қалыңдығымен анықталатындықтан, QCL-дің сәуле шығару толқын ұзындығын бір материалдық жүйеде кең ауқымда реттеуге болады. Сонымен қатар, жартылай өткізгіш лазерлік диодтарда электрондар мен бос орындар энергиялық аралықта қайта біріккеннен кейін жойылады және фотон тудыру процесінде одан әрі қатыса алмайды. Алайда, бірполярлы QCL-де электрон қосалқы жолақтар арасындағы ауысудан өтіп, супертордың бір периодында фотонды шығарғаннан кейін, ол құрылымның келесі периодына туннельдеп өтіп, тағы бір фотонды шығара алады. Бір электронның QCL құрылымы арқылы өтетін бірнеше фотонның сәулеленуіне себеп болатын бұл процесс каскад деп аталады және бірліктен жоғары кванттық тиімділікті қамтамасыз етеді, бұл жартылай өткізгіш лазерлік диодтарға қарағанда жоғары шығыс қуатына әкеледі.
Within a bulk semiconductor crystal, electrons may occupy states in one of two continuous energy bands — the valence band, which is heavily populated with low energy electrons and the conduction band, which is sparsely populated with high energy electrons. The two energy bands are separated by an energy band gap in which there are no permitted states available for electrons to occupy. Conventional semiconductor laser diodes generate light by a single photon being emitted when a high energy electron in the conduction band recombines with a hole in the valence band. The energy of the photon and hence the emission wavelength of laser diodes is therefore determined by the band gap of the material system used. A QCL however does not use bulk semiconductor materials in its optically active region. Instead, it consists of a periodic series of thin layers of varying material composition forming a superlattice. The superlattice introduces a varying electric potential across the length of the device, meaning that there is a varying probability of electrons occupying different positions over the length of the device. This is referred to as one dimensional multiple quantum well confinement and leads to the splitting of the band of permitted energies into a number of discrete electronic subbands. By suitable design of the layer thicknesses it is possible to engineer a population inversion between two subbands in the system which is required in order to achieve laser emission. Because the position of the energy levels in the system is primarily determined by the layer thicknesses and not the material, it is possible to tune the emission wavelength of QCLs over a wide range in the same material system. Additionally, in semiconductor laser diodes, electrons and holes are annihilated after recombining across the band gap and can play no further part in photon generation. However, in a unipolar QCL, once an electron has undergone an intersubband transition and emitted a photon in one period of the superlattice, it can tunnel into the next period of the structure where another photon can be emitted. This process of a single electron causing the emission of multiple photons as it traverses through the QCL structure gives rise to the name cascade and makes a quantum efficiency of greater than unity possible which leads to higher output powers than semiconductor laser diodes.
Белсенді аймақтардың жобалары
Шашырау жылдамдықтары суббайнаттардың электрондық толқын функцияларын анықтайтын суперкестенің қабат қалыңдықтарын тиісті жобалау арқылы реттеледі. Екі суббайнат арасындағы шашырау жылдамдығы толқын функцияларының үсті-үстіне жатуына және суббайнаттар арасындағы энергия арақашықтығына күшті түрде тәуелді. Суретте үш кванттық құдықтан (3QW) тұратын QCL белсенді аймағы мен инжектордағы толқын функциялары көрсетілген. Жоғарғы және төменгі лазер деңгейлерінің арасындағы үсті-үстіне жатуын азайту үшін, қабат қалыңдықтарын осылай жобалау арқылы бұл қол жеткізіледі: жоғарғы лазер деңгейі 3QW белсенді аймағының сол жақ құдығында шоғырланған, ал төменгі лазер деңгейінің толқын функциясы негізінен орталық және оң жақ құдықтарда орналасады. Бұл диагональдык өту деп аталады. Вертикальдык өту – жоғарғы лазер деңгейі негізінен орталық және оң жақ құдықтарда шоғырланған жағдайда болады. Бұл үсті-үстіне жатуды арттырады, соның салдарынан популяциялық инверсия төмендейді, бірақ радиациялық өтудің күші артады, демек, күшейту де артады. Күшейтуді арттыру үшін төменгі лазер деңгейі мен негізгі деңгейдің толқын функциялары жақсы үсті-үстіне жататындай етіп жобаланады, ал одан әрі арттыру үшін суббайнаттар арасындағы энергия арақашықтығы бойлық оптикалық (LO) фонон энергиясына тең етіледі (GaAs-та ~36 мэВ), сонда резонанстық LO фонон электрондық шашырауы төменгі лазер деңгейін жылдам босатуы мүмкін.
The scattering rates are tailored by suitable design of the layer thicknesses in the superlattice which determine the electron wave functions of the subbands. The scattering rate between two subbands is heavily dependent upon the overlap of the wave functions and energy spacing between the subbands. The figure shows the wave functions in a three quantum well (3QW) QCL active region and injector. In order to decrease , the overlap of the upper and lower laser levels is reduced. This is often achieved through designing the layer thicknesses such that the upper laser level is mostly localised in the left hand well of the 3QW active region, while the lower laser level wave function is made to mostly reside in the central and right hand wells. This is known as a diagonal transition. A vertical transition is one in which the upper laser level is localised in mainly the central and right hand wells. This increases the overlap and hence which reduces the population inversion, but it increases the strength of the radiative transition and therefore the gain. In order to increase , the lower laser level and the ground level wave functions are designed such that they have a good overlap and to increase further, the energy spacing between the subbands is designed such that it is equal to the longitudinal optical (LO) phonon energy (~36 meV in GaAs) so that resonant LO phonon electron scattering can quickly depopulate the lower laser level.
Материалдық жүйелер
Бірінші QCL InP субстратына сәйкес GaInAs/AlInAs материалдық жүйесінде жасалды. 1998 жылы Sirtori және авторлар GaAs/AlGaAs QCL-дерін көрсетті, бұл сапаны бақылау тұжырымдамасы бір ғана материалдық жүйемен шектелмейтінін дәлелдеді. Бұл материалдық жүйеде кедергілердегі алюминийдің үлесіне байланысты кванттық құдықтардың тереңдігі өзгереді. GaAs негізіндегі QCL-дер InP негізіндегі QCL-дердің орташа инфрақызыл диапазонындағы өнімділік деңгейіне жетпесе де, спектрдің терагерц аймағында өте табысты болды. QCL-дердің ең қысқа толқын ұзындығы кванттық құдықтардың тереңдігімен анықталады және жақында қысқа толқынды сәулелендіруді алу үшін өте терең кванттық құдықтары бар материалдық жүйелерде QCL-дер жасалды. InGaAs/AlAsSb материалдық жүйесінде 1,6 ЭВ тереңдіктегі кванттық құдықтар бар және олар 3,05 мкм толқын ұзындығында сәуле шығаратын QCL-дерді жасау үшін қолданылды. InAs/AlSb QCL-дерде 2,1 ЭВ тереңдіктегі кванттық құдықтар бар және 2,5 мкм-ға дейінгі толқын ұзындықтарында электролюминесценция байқалды. InAs/AlSb жұбы InP және GaAs субстраттарында өсірілген қорытпалармен салыстырғанда QCL материалдық отбасының ең жаңа мүшесі болып табылады. InAs/AlSb материалдық жүйесінің басты артықшылығы кванттық құдықтардағы электрондардың кішкентай тиімді массасы болып табылады, бұл жоғары ішкі топтық күш алуға мүмкіндік береді. Бұл артықшылықты лазерлік ауысу деңгейлері өткізгіштік жолағының түбіне жақын және параболиясыздық әсері әлсіз болатын ұзақ толқынды QCL-дерде жақсы пайдалануға болады. InAs негізіндегі QCL-дер бөлме температурасында (RT) үздіксіз толқынмен (CW) жұмыс істеуді көрсетті, толқын ұзындығы импульстік шекті ток тығыздығы төменгі деңгейге дейін жетті. Соңғы кезде InAs негізіндегі QCL-дер бөлме температурасында жұмыс істейтіні көрсетілді. Алынған шектік мән қазіргі кездегі ең жақсы InP негізіндегі QCL-дерінен төмен, фасеттік өңдеме жасалмаған. QCL-дер дәстүрлі түрде нашар оптикалық қасиеттері бар саналатын материалдарда лазерлік жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Кремний сияқты тікелей емес жолақты аралық материалдардың ең төменгі электрондық және тесіктік энергиялары әртүрлі импульс мәндерінде болады. Тораралық оптикалық ауысулар үшін тасымалдаушылар импульсті өзгерту үшін баяу, аралық шашырау процесінен өтеді, бұл оптикалық сәулелендірудің қарқындылығын күрт төмендетеді. Алайда, субтоптық оптикалық ауысулар өткізгіштік жолағы мен валенттілік жолағының ең төменгі мәндерінің салыстырмалы импульсіне тәуелді емес, ал Si/SiGe кванттық каскадты сәулелендіргіштері үшін теориялық ұсыныстар жасалды. Полярлық емес SiGe гетероқұрылымдарынан субтоптық электролюминесценция орташа және алыс инфрақызыл толқын ұзындықтарында, валенттік және өткізгіштік жолақтарында байқалды.
The first QCL was fabricated in the GaInAs/AlInAs material system lattice matched to an InP substrate. In 1998 GaAs/AlGaAs QCLs were demonstrated by Sirtori et al. proving that the QC concept is not restricted to one material system. This material system has a varying quantum well depth depending on the aluminium fraction in the barriers. Although GaAs based QCLs have not matched the performance levels of InP based QCLs in the mid infrared, they have proven to be very successful in the terahertz region of the spectrum. The short wavelength limit of QCLs is determined by the depth of the quantum well and recently QCLs have been developed in material systems with very deep quantum wells in order to achieve short wavelength emission. The InGaAs/AlAsSb material system has quantum wells 1.6 eV deep and has been used to fabricate QCLs emitting at 3.05 μm. InAs/AlSb QCLs have quantum wells 2.1 eV deep and electroluminescence at wavelengths as short as 2.5 μm has been observed. The couple InAs/AlSb is the most recent QCL material family compared to alloys grown on InP and GaAs substrates. The main advantage of the InAs/AlSb material system is the small effective electron mass in quantum wells, which favors a high intersubband gain. This benefit can be better exploited in long wavelength QCLs where the lasing transition levels are close to the bottom of the conduction band, and the effect of nonparabolicity is weak. InAs based QCLs have demonstrated room temperature (RT) continuous wave (CW) operation at wavelengths up to with a pulsed threshold current density as low as Low values of have also been achieved in InAs based QCLs emitting in other spectral regions: at , at and at (QCL grown on InAs). Most recently, InAs based QCLs operating near with as low as at room temperature have been demonstrated. The threshold obtained is lower than the of the best reported InP based QCLs to date without facet treatment. QCLs may also allow laser operation in materials traditionally considered to have poor optical properties. Indirect bandgap materials such as silicon have minimum electron and hole energies at different momentum values. For interband optical transitions, carriers change momentum through a slow, intermediate scattering process, dramatically reducing the optical emission intensity. Intersubband optical transitions, however, are independent of the relative momentum of conduction band and valence band minima and theoretical proposals for Si/SiGe quantum cascade emitters have been made. Intersubband electroluminescence from non polar SiGe heterostructures has been observed for mid infrared and far infrared wavelengths, both in the valence and conduction band.
Эмиссия толқын ұзындығы
QCL қазіргі уақытта 2,63 мкм-ден 250 мкм-ға дейінгі толқын ұзындығы диапазонын қамтиды (ал магниттік өріс қолданғанда 355 мкм-ға дейін кеңейеді).
QCLs currently cover the wavelength range from 2.63 μm to 250 μm (and extends to 355 μm with the application of a magnetic field.)
Оптикалық толқын жетектері
Кванттық каскадтық күшейткіш материалды пайдалы жарық шығаратын құрылғыға өңдеудің алғашқы қадамы – күшейткіш ортаны оптикалық толқын жетекке шоғырландыру болып табылады. Бұл шығарылған жарықты коллимцияланған сәулеге бағыттауға мүмкіндік береді және жарық күшейткіш ортаға қайта жұмсалуын қамтамасыз ететін лазерлік резонатор құруға жол ашады. Оптикалық толқын жетектерінің екі түрі жиі қолданылады. Қиыршық толқын жетектері кванттық каскадтық материалда параллель ойыстар жасау арқылы құрылады, нәтижесінде әдетте ~10 мкм ені және бірнеше мм ұзындығы бар QC материалының оқшауланған жолағы пайда болады. Диэлектрлік материал әдетте ойыстарға жабылады, бұл инъекцияланған токты жолаққа бағыттауға мүмкіндік береді, содан кейін бүкіл жолақ электрлік байланыс жасау және жарық шығарған кезде жолақтан жылуды кетіруге көмектесу үшін әдетте алтынмен қапталады. Жарық толқын жетектерінің кесілген шеттерінен шығарылады, оның белсенді аймағы әдетте бірнеше микрометр өлшемде болады. Толқын жетектерінің екінші түрі – көмілген гетероқұрылым. Бұл жағдайда QC материалы да оқшауланған қырқа жасау үшін ойылады. Бірақ енді жаңа жартылай өткізгіш материал қырқаның үстіне өсіріледі. QC материалы мен өскен материал арасындағы сындыру көрсеткішінің айырмашылығы толқын жетектерін құру үшін жеткілікті. QC қырқасының айналасындағы өскен материалға диэлектрлік материал да жабылады, бұл инъекцияланған токты QC күшейткіш ортасына бағыттауға көмектеседі. Көмілген гетероқұрылымдық толқын жетектері жарық шығарылған кезде QC белсенді аймағынан жылуды тиімді түрде кетіруге қабілетті.
The first step in processing quantum cascade gain material to make a useful light emitting device is to confine the gain medium in an optical waveguide. This makes it possible to direct the emitted light into a collimated beam, and allows a laser resonator to be built such that light can be coupled back into the gain medium. Two types of optical waveguides are in common use. A ridge waveguide is created by etching parallel trenches in the quantum cascade gain material to create an isolated stripe of QC material, typically ~10 um wide, and several mm long. A dielectric material is typically deposited in the trenches to guide injected current into the ridge, then the entire ridge is typically coated with gold to provide electrical contact and to help remove heat from the ridge when it is producing light. Light is emitted from the cleaved ends of the waveguide, with an active area that is typically only a few micrometers in dimension. The second waveguide type is a buried heterostructure. Here, the QC material is also etched to produce an isolated ridge. Now, however, new semiconductor material is grown over the ridge. The change in index of refraction between the QC material and the overgrown material is sufficient to create a waveguide. Dielectric material is also deposited on the overgrown material around QC ridge to guide the injected current into the QC gain medium. Buried heterostructure waveguides are efficient at removing heat from the QC active area when light is being produced.
Лазер түрлері
Кванттық каскадтық күшейту ортасы суперлюминесценттік конфигурацияда когерентсіз жарық тудыруға қолданылуы мүмкін, бірақ көбінесе лазер жасау үшін оптикалық резонатормен бірге қолданылады.
Although the quantum cascade gain medium can be used to produce incoherent light in a superluminescent configuration, it is most commonly used in combination with an optical cavity to form a laser.
Фабри-Перо лазерлері
Бұл кванттық каскадты лазерлердің ең қарапайым түрі. Бірінші кезекте, кванттық каскад материалынан оптикалық толқын жетек жасалып, күшейту ортасы құрылады. Кристаллдық жартылай өткізгіш құрылғысының екі ұшы толқын жетек екі басындағы параллель айналарды жасау үшін кесіледі, осылайша Фабри-Перо резонаторы пайда болады. Жартылай өткізгіштен ауаға дейінгі кесілген беттердегі қалдық шағылыстыру резонатор құруға жеткілікті. Фабри-Перо кванттық каскадты лазерлер жоғары қуаттарды өндіре алады, бірақ әдетте жоғары ток күшінде көп режимді болады. Толқын ұзындығын негізінен QC құрылғысының температурасын өзгерту арқылы өзгертуге болады.
This is the simplest of the quantum cascade lasers. An optical waveguide is first fabricated out of the quantum cascade material to form the gain medium. The ends of the crystalline semiconductor device are then cleaved to form two parallel mirrors on either end of the waveguide, thus forming a Fabry–Pérot resonator. The residual reflectivity on the cleaved facets from the semiconductor to air interface is sufficient to create a resonator. Fabry–Pérot quantum cascade lasers are capable of producing high powers, but are typically multi mode at higher operating currents. The wavelength can be changed chiefly by changing the temperature of the QC device.
Таратылған кері байланыс лазерлері
Бөлінген кері байланыс (DFB) кванттық каскадты лазері Фабри-Перо лазеріне ұқсас, бірақ қажетті толқын ұзындығынан өзге толқынды сәулелендіруін болдырмау үшін толқын жетекшісінің үстіне орнатылған бөлінген Брэгг рефлекторы (DBR) бар. Бұл лазерді жоғары ток күшінде де бір режимде жұмыс істеуге мәжбүр етеді. DFB лазерлерін негізінен температураны өзгерту арқылы реттеуге болады, алайда DFB лазерін импульстік режимде қолдану арқылы реттеудің ерекше әдісін алуға болады. Осы режимде лазердің толқын ұзындығы импульс барысында жылдам "өзгертіліп", спектрлік аймақты жылдам сканерлеуге мүмкіндік береді.
A distributed feedback (DFB) quantum cascade laser is similar to a Fabry–Pérot laser, except for a distributed Bragg reflector (DBR) built on top of the waveguide to prevent it from emitting at other than the desired wavelength. This forces single mode operation of the laser, even at higher operating currents. DFB lasers can be tuned chiefly by changing the temperature, although an interesting variant on tuning can be obtained by pulsing a DFB laser. In this mode, the wavelength of the laser is rapidly "chirped" during the course of the pulse, allowing rapid scanning of a spectral region.
Сыртқы қуыс лазерлері
Сыртқы қуыс (EC) кванттық каскадты лазерде кванттық каскад құрылғысы лазерлік күшейту ортасы ретінде қызмет етеді. Толқын жетектерінің біреуі немесе екеуі де анти-рефлекстік жабынмен жабылған, бұл кесілген жақтардың оптикалық қуыс әрекетін жояды. Ойнақтар QC құрылғысының сыртында орналастырылып, оптикалық қуысты құрайды. Егер сыртқы қуысқа жиілікті таңдаушы элемент қосылса, лазерлік сәуле шығаруды бір толқын ұзындығына дейін азайтуға және тіпті сәулеленуді реттеуге болады. Мысалы, дифракциялық торлар орталық толқын ұзындығының 15%-дан астам диапазонында реттелетін лазер жасау үшін қолданылған.
In an external cavity (EC) quantum cascade laser, the quantum cascade device serves as the laser gain medium. One, or both, of the waveguide facets has an anti reflection coating that defeats the optical cavity action of the cleaved facets. Mirrors are then arranged in a configuration external to the QC device to create the optical cavity. If a frequency selective element is included in the external cavity, it is possible to reduce the laser emission to a single wavelength, and even tune the radiation. For example, diffraction gratings have been used to create a tunable laser that can tune over 15% of its center wavelength.
Кеңейтілген күйлендіру құрылғылары
Кванттық каскадты лазерлердің баптау диапазонын кеңейтуге монолитті интеграцияланған элементтерді ғана пайдалана отырып, бірнеше әдіс бар. Интегралды қыздырғыштар тұрақты жұмыс температурасында орталық толқын ұзындығының 0,7%-ға дейін, ал Вернье эффектісі арқылы жұмыс істейтін суперструктуралық торлар стандартты DFB құрылғысымен салыстырғанда (<0,1%) орталық толқын ұзындығының 4%-ға дейін баптау диапазонын кеңейте алады.
There exists several methods to extend the tuning range of quantum cascade lasers using only monolithically integrated elements. Integrated heaters can extend the tuning range at fixed operation temperature to 0.7% of the central wavelength and superstructure gratings operating through the Vernier effect can extend it to 4% of the central wavelength, compared to <0.1% for a standard DFB device.
Өсу
Кванттық гетероқұрылым құрайтын екі түрлі жартылай өткізгіштің кезектесіп орналасқан қабаттары молекулалық сәулелі эпитаксия (MBE) немесе металл-органикалық бу фазалық эпитаксия (MOVPE), сондай-ақ металл-органикалық химиялық бумен жинақталу (MOCVD) сияқты әртүрлі әдістер арқылы субстратқа өсірілуі мүмкін.
The alternating layers of the two different semiconductors which form the quantum heterostructure may be grown on to a substrate using a variety of methods such as molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE), also known as metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD).
Қолданбалар
Фабри-Перо (FP) кванттық каскадты лазерлер алғаш рет 1998 жылы, таратылған кері байланыс (DFB) құрылғылары алғаш рет 2004 жылы, ал кеңінен реттелетін сыртқы қуысты кванттық каскадты лазерлер алғаш рет 2006 жылы коммерцияланды. Жоғары оптикалық қуаттылығы, реттеу диапазоны және бөлме температурасында жұмыс істеуі QCL-ді атмосферадағы қоршаған орта газдары мен ластаушы заттарды қашықтан сезіну және қауіпсіздік сияқты спектроскопиялық қолданыстар үшін пайдалы етеді. Олар болашақта нашар көріну жағдайында көлік құралдарының жылдамдығын басқару, соқтығысуды болдырмау радары, өндірістік процестерді бақылау және тыныс талдағышы сияқты медициналық диагностикада қолданылуы мүмкін. QCL-дер плазма химиясын зерттеу үшін де қолданылады. Көп лазерлік жүйелерде қолданғанда, интрапульстік QCL спектроскопиясы кең спектрлі жабынды ұсынады, оны улы химиялық заттар, жарылғыш заттар және дәрі-дәрмектердегі күрделі ауыр молекулаларды анықтау және мөлшерлеу үшін пайдалануға болады.
Fabry Perot (FP) quantum cascade lasers were first commercialized in 1998, distributed feedback (DFB) devices were first commercialized in 2004, and broadly tunable external cavity quantum cascade lasers first commercialized in 2006. The high optical power output, tuning range and room temperature operation make QCLs useful for spectroscopic applications such as remote sensing of environmental gases and pollutants in the atmosphere and security. They may eventually be used for vehicular cruise control in conditions of poor visibility, collision avoidance radar, industrial process control, and medical diagnostics such as breath analyzers. QCLs are also used to study plasma chemistry. When used in multiple laser systems, intrapulse QCL spectroscopy offers broadband spectral coverage that can potentially be used to identify and quantify complex heavy molecules such as those in toxic chemicals, explosives, and drugs.