行业观察 | 量子级联激光器发展史与未来前景

【QCL的发展】

自1960年休斯研究实验室首次成功运行激光器以来，这项技术就始终处于科技创新的前沿。1962年，罗伯特·N·霍尔研制出首个砷化镓激光二极管，但受限于低温操作要求；1970年贝尔实验室的Izuo Hayashi和Morton Panish成功地制造了在室温下工作的激光二极管。1971年R.F.Kazarinov和R.A.Suris提出的量子阱概念，最终在1994年由贝尔实验室的J.Faist和F.Capasso创造了首个量子级联激光器(QCL)。与早期的激光器一样，量子级联激光器需要低温才能连续工作，2002年，J.Faist的团队设计出室温连续工作QCL，标志着量子级联激光器技术成熟。

【QCL的特性】

与激光二极管依赖于电子-空穴对复合（来进行光放大）不同，QCL是依赖于其量子阱结构内的跃迁。量子阱的狭窄设计限制了电子（图1）。当施加强电场或电压时，各层之间的电势差允许电子在单个量子阱内发生辐射跃迁，从而发射光子。通过隧穿的量子效应，电子可以从一个有源层隧穿到下一个有源区并再次跃迁。隧道和光子发射的序列在许多活跃区域重复，从而产生发射的“级联”。在辐射跃迁到较低状态期间损失的能量对应于发射的光子的能量。活性层宽度的变化导致不同的能量跃迁和光子能量。这意味着发射波长不受所用活性材料带隙的限制，允许使用具有既定生长和制造工艺的材料，如GaAs和InGaAs，这是QCL开发的一个显著优势。使用砷化物量子阱的QCL设计记录了短至4µm波长的发射，锑化物的添加导致室温下短至3.2µm的发射。

图1：（a） 没有施加电场的量子阱中的固定电子（b） 电场被施加在整个有源区域上，在隧穿到下一个量子阱（蓝色箭头）之前，电子在每个量子阱中经历辐射跃迁（红色箭头）

设计具有分布式反馈（DFB）结构和内部热电冷却器的QCL允许具有单模输出的连续波（CW）工作。DFB结构是指埋在器件内的衍射光栅，用于隔离发射波长，由于激光介质的有效折射率中的温度色散，波长可调谐范围较小（图2）。驱动电流产生的热量可以局部改变激光芯片的温度，并且需要对驱动电流和热电冷却器进行精确控制以微调发射波长。具有低占空比的脉冲QCL的驱动电流产生的热量要少得多，并且可以使用较小容量的热电冷却器进行运作。

图2：4.33µm CW驱动DFB QCL的发射波数与器件温度和驱动电流的函数关系

️【尖端应用领域】

环境监测

具有QCL的激光吸收光谱的中心应用已经用于环境气体问题的监测。图3显示了两种众所周知的温室气体，一氧化二氮（N2O）和甲烷（CH4）的吸收测量结果。这些测量使用7.87µm的QCL，在0.5 cm-1（3 nm）范围内扫描波长，同时使激光输出通过气室，然后用碲化汞镉（MCT）探测器进行测量。与传统的MIR方法相比，利用甚至更短的波长范围如3nm允许用相对简单和紧凑的系统同时检测两种分离的气体。

危化品/材料鉴定

理想的痕迹检测系统将不需要与潜在危险材料直接接触并提供快速识别。Papantonakis等人将光热成像与QCL吸收测量相结合，用于化合物鉴定，检测微量小至100纳克的TNT。令人担忧的化合物，如TNT，可以很容易地吸收红外光，然后以热的形式释放吸收的能量。随着激发波长的变化，当激发波长被吸收时，材料将辐射热量，从而在样品及其环境之间产生热对比，使用红外探测器可以更容易地对其进行成像。在同一项研究中，他们能够区分可以吸收与感兴趣材料相同波长的干扰材料。使用允许使用多个激发波长的可调谐QCL；识别哪些波长被共振吸收，哪些波长没有被共振吸收有助于隔离目标材料。将类似的激光光谱方法与热成像相结合的系统可以提高检测灵敏度，同时减少误报。

生物医学

近年来，QCL已被用于许多新的生物和医学应用，甚至在寻求无创血糖监测解决方案方面发挥了重要作用。2012年，Pleitez等人发表了使用可调外腔QCL测量人体皮肤间质层葡萄糖水平的结果。这项研究使用了光声光谱，将光声气体电池与脉冲QCL耦合作为皮肤上的激发源。在关键吸收线上测量皮肤的吸光度，以确定间质液中葡萄糖的浓度，这与血糖水平密切相关。此外，在感兴趣的葡萄糖红外区域（1000至1220cm-1）中使用QCL产生的激光能量足以进行测量，但不会伤害或改变皮肤。

QCL作为红外激光领域中的一个重要的研究方向，因其可在中红外波段、长波红外波段和太赫兹波段工作的特性，在多领域具有广阔的应用前景，但同时作为一项新的技术，QCL仍处于商业演进的早期阶段，其大部分潜力仍悬而未决。未来，通过相关领域的研究人员对该技术应用的开发，QCL将迎来广阔的发展前景。