自1994年貝爾實驗室首次推出量子級聯激光器(QCL)以來，該技術得到十足的發展，從(cong) 單純的光子學研究前沿領域發展為(wei) 以封裝激光器、QCL驅動的科學工具和控製軟件和強大的集成係統。這些係統在國防、材料分析、環境監測以及醫學和生物製藥研究中得到了廣泛應用。

QCL已成為(wei) 光譜應用中相幹中紅外光、色心激光器、差頻產(chan) 生係統、光學參量振蕩器和低溫鉛鹽二極管激光器的主要來源。它們(men) 還可用於(yu) 一些需要堅固性和緊湊性的高功率應用。隨著 QCL的進步和應用程序的加速，重新審視該技術的基礎可能會(hui) 有所幫助。

圖1：典型量子級聯結構的導帶能量圖。在由x軸表示的100nm跨度內(nei) 是交替的量子阱和勢壘以及離散能級的波函數的平方模量

QCL基礎知識

電子的能量是通過施加限製電勢來量化的。量子化的電子能級和能級差隨著勢壘的空間尺寸變小而增加。能級之間的電子躍遷可能會(hui) 發射或吸收光子，這取決(jue) 於(yu) 選擇規則和守恒限製。

與(yu) 涉及導帶電子與(yu) 價(jia) 帶空穴複合的半導體(ti) 異質結二極管激光器明顯不同的是，QCL是利用導帶內(nei) 電子的能量受限狀態之間的躍遷。在QCL中，通過交替具有各種帶隙的半導體(ti) 化合物層（例如，GaInAs、AlInAs 或 GaInAs）在一維中形成量子阱。這些層通過分子束外延、金屬有機化學氣相沉積或兩(liang) 者兼而有之，在襯底晶片（通常是InP）上外延生長。

量子隧道效應發生在相鄰的阱之間，發生的概率與(yu) 分隔屏障的高度和寬度成反比。因此，一係列多個(ge) 薄隔開的阱可以隧道耦合，從(cong) 而產(chan) 生跨越係列長度的電子波函數。該區域中有效限製的擴展長度產(chan) 生了緊密間隔的能級和增強的電子運動性。

如圖1所示，施加足夠的電壓會(hui) 導致注入器區域在能量上緊密對齊，並通過諧振隧道快速填充到光躍遷的上層（第3層）。光子發射後，電子必須迅速從(cong) 較低的躍遷能級（能級2）中移除，否則激光將停止。

為(wei) 了實現這一點，發射區中的量子阱和勢壘被設計為(wei) 創建另一個(ge) 能級（1級），該能級比2級低大約一個(ge) 光學聲子的能級。由此產(chan) 生的快速共振散射足以維持3 級和2級之間的種群反轉。一個(ge) 典型的QCL包括10到100個(ge) 串聯的注入器/發射器層序列，以便為(wei) 給定電流提供相應的光學增益增加。

圖2：由於(yu) QCL-IR發射器堅固、緊湊且重量輕，因此它們(men) 正被用作安裝在旋翼飛機上的定向紅外對抗係統，以幫助對抗熱尋的肩射導彈

這個(ge) 簡短的描述掩蓋了設計和製造工作QCL所需的豐(feng) 富理論細節和技術熟練程度。這些設備的潛在設計空間是巨大的。然而，幾十年的設計變化和優(you) 化工作已經在光功率、效率和波長覆蓋範圍內(nei) 建立了令人印象深刻的基準。

總之，驅動QCL操作的電子能級和相關(guan) 波函數由半導體(ti) 合金的外延層厚度和施加的整體(ti) 偏置的可控參數所決(jue) 定。狀態之間的隧道效應和散射率通過波函數的重疊積分進行修改。通過設計控製這些速率，可以實現光學增益所需的總體(ti) 反轉。

圖1表示，引起激光能級3和2之間的光學躍遷的量子阱由一係列狹窄分離的阱隔開，這些阱包括快速將電子從(cong) 最低激光狀態（能級1）掃出並進入下一個(ge) 有源區的上能級的注入區。通過將兩(liang) 個(ge) 能級之間的能量差設計為(wei) 與(yu) 晶格的光學聲子共振，可以增強電子從(cong) 能級2到能級1的非輻射散射。

為(wei) 了形成功能激光器，具有外延生長層的襯底晶片經過光刻處理和蝕刻以形成肋形或脊形波導。半絕緣材料可以在側(ce) 壁上重新生長，以實現外延安裝，以改善散熱。晶圓被切割並切割成單獨的法布裏-珀羅激光器（Fabry-Pérot），這些激光器可安裝到合適的散熱器上。

從(cong) 實驗到解決(jue) 方案

在貝爾實驗室首次展示QCL後不久，該技術就被轉化為(wei) 商業(ye) 產(chan) 品。早期的工業(ye) 和學術界聯盟，例如用於(yu) 健康和環境的中紅外技術(MIRTHE)團體(ti) ，開創了QCL技術的第一個(ge) 早期應用。

他們(men) 的早期成功之一發生在2008年北京奧運會(hui) 期間，其中一個(ge) 稱為(wei) 量子級聯激光開放路徑係統(QCLOPS)的QCL開放路徑分析係統測量了大氣中的臭氧、氨和二氧化碳。這個(ge) 早期的係統表明，基於(yu) QCL的係統可以在實驗室環境之外提供高度敏感的化學信息。

此後，QCL源一直被認為(wei) 是可靠、高精度科學儀(yi) 器的重要組成部分，但它們(men) 也變得堅固和小型化，可用於(yu) 商業(ye) 和軍(jun) 事用途。大功率QCL是一種理想的移動防禦解決(jue) 方案，因為(wei) 它們(men) 相對緊湊且重量輕。這促使它們(men) 在定向紅外對抗(DIRCM)中得到應用，例如安裝在旋翼飛機上的係統，用於(yu) 幫助對抗尋熱肩射導彈，如圖2。

醫學和生命科學領域的研究人員也探索了QCL-IR光源的潛力。例如，德國法蘭(lan) 克福歌德大學的研究人員設計了一種無創血糖儀(yi) 的早期原型，將QCL-IR光與(yu) 光熱檢測相結合，以光譜方式探測指尖皮膚層間質液中的葡萄糖濃度。該方法剛剛經曆了有希望的臨(lin) 床前驗證。

圖3：由 QCL-IR顯微鏡收集的高光譜數據構建的癌性結直腸組織的化學圖像

同樣，QCL-IR源在高靈敏度呼吸分析方麵具有巨大潛力。一些研究人員正在使用該技術探索呼吸樣本中疾病的生物標誌物。例如患者可以向氣室呼氣，然後快速調整QCL係統可以檢測呼氣中是否含有化學生物標誌物。該應用程序處於(yu) 早期階段，但它通過醫療保健專(zhuan) 業(ye) 人員進行實用且簡單的篩查，開創了早期疾病幹預的未來。

此外，隨著藥物製造商向連續製造和工業(ye) 4.0邁進，他們(men) 表達了對能夠表征蛋白質（包括高階結構信息）並連續實時進行定量分析的儀(yi) 器需求的增長。針對該應用的基於(yu) QCL的分析儀(yi) 已經進入市場，並被業(ye) 界廣泛采用。

QCL技術也為(wei) 顯微技術提供了新途徑。通過將QCL源的高光譜亮度與(yu) 寬視場光學器件和微測輻射熱計檢測器相結合，QCL-IR顯微鏡能夠在1分鍾內(nei) 以高通量捕獲高光譜圖像，獲得令人驚歎的2×2mm2視場。

波鴻魯爾大學的研究人員利用這種顯微鏡進行了一項研究，將QCL-IR顯微鏡與(yu) 傳(chuan) 統組織病理學的有效性進行了對比，傳(chuan) 統組織病理學在光學顯微鏡下檢查了一係列免疫組織化學標記。

研究結果表明，通過QCL-IR顯微鏡實現的紅外化學成像為(wei) 癌症的早期檢測提供了新的光譜生物標誌物（圖3）。新標記顯示出與(yu) 通過傳(chuan) 統組織病理學技術收集的標記相當的靈敏度和選擇性。

類似的儀(yi) 器正在新興(xing) 的微塑料分析中找到應用。Alfred Wegner研究所的研究人員正在使用 QCL構建微塑料樣品分類器，以幫助應對世界日益嚴(yan) 重的塑料汙染危機。與(yu) 拉曼和傅裏葉變換紅外成像相比，QCL-IR儀(yi) 器的大視場和高光譜成像能力將數據采集速度提高了10倍。

在上述兩(liang) 種應用中，QCL-IR成像都能快速提供有關(guan) 感興(xing) 趣樣品的空間和化學信息。這種速度對於(yu) 分析大量樣品或必須在短時間內(nei) 分析樣品時尤其重要。

QCL也已集成到光譜儀(yi) 係統中，用於(yu) 氣相和液相分析。激光器的高光譜亮度可以直接穿過流通池，無需使用衰減全反射來分析液體(ti) 或氣體(ti) 樣品。這一發展使原位液體(ti) 分析能夠在廣泛的工業(ye) 應用中進行，從(cong) 藥物開發中蛋白質的表征和定量到監測水處理廠中的銨。

盡管應用範圍廣泛且不斷增長，但QCL技術仍處於(yu) 商業(ye) 演進的早期階段，其大部分潛力仍懸而未決(jue) 。新興(xing) 的組件和係統設計正在引入更緊湊、更堅固的光源，具有更高的輸出功率和更高的光束質量。與(yu) 此同時，數十個(ge) 領域的研究人員和工程師繼續為(wei) 這些獨特的紅外和太赫茲(zi) 光源尋找創新應用。