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脉动科技11月专刊-量子级联激光器（QCL）原理、发展历史及应用

Monday, Nov. 25, 2019

量子级联激光器（QCL）原理、发展历史及应用

前言：量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）是一种新型半导体激光器。QCL拥有传统半导体激光器的体积小、寿命长等特点，但是其工作原理却和传统半导体激光器截然不同。传统半导体激光器发光机制是导带和价带中的电子空穴对复合发光，而QCL则是利用电子在导带子带间的跃迁发光，全程只有电子参与受激辐射。QCL是半导体激光理论革新的产物，其极大的扩展了半导体激光器激射范围。在QCL发明之前，传统半导体激光器其发射波长主要在可见光和近红外波段，QCL则将半导体激光器的发光范围拓展到了中远红外以及太赫兹波段，使其在气体检测、空间通讯、红外对抗、太赫兹成像等方面得到了越来越多的应用。量子级联激光器（QCL）在气体检测、空间通讯、红外对抗、太赫兹成像等方面得到了越来越多的应用，本文将详细介绍QCL原理及其各种应用。

一、QCL原理

传统的半导体激光器，工作原理都是依靠半导体材料中导带的电子和价带中的空穴复合而激发光子，如图1 (A)，其激射波长由半导体材料的禁带宽度所决定,由于受禁带宽度的限制，使得半导体激光器难以发出中远红外以及太赫兹波段的激光。自然界唯一对应能出射中远红外的半导体材料-铅盐系材料，其只能在低温下工作 (低于77K)，且输出功率极低，为微瓦级别。为了使半导体激光器也能激射中远红外以及太赫兹波段的光，科研人员跳出了基于半导体材料p-n结发光的理论，提出了量子级联激光器的构想。

量子级联激光器的工作原理为电子在半导体材料导带的子带间跃迁和声子共振辅助隧穿从而产生光放大，如图1 (B)，其出射波长由导带的子带间的能量差所决定，和半导体材料的禁带宽度无关，因此可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。

图1. (A) 传统半导体激光器其发光原理 (B) QCL发光原理。

二、QCL发展

1971年前苏联科学家Kazarinov 和 Suris提出了量子级联激光器的理论基础。^[1]

1994年第一台QCL由J. Faist，Federico Capasso和华人科学家卓以和等利用分子束外延技术研制出来，其激射波长为4.2μm。^[2]

1996年第一个室温脉冲工作的QCL被制备出来，其具有25个级联结构，输出波长为5.2μm。^[3]

1997年，分布反馈式量子级联激光器（DFB-QCL）研制成功^[4]，1998年报道了DFB-QCL在气体传感方面的重要应用。^[5]

2000年，第一个远红外QCL被报导出来，其波长为21.5μm和24μm。^[6]

2002年，第一个室温连续工作的中红外QCL研制出来。^[7]

2002年，英国和意大利科学家合作研制了第一个太赫兹QCL。^[8]

2003年，哈佛大学等成功研制了面发射光子晶体QCL，其激射波长为8μm。^[9]

2006年，J.Faist小组首次研制了外腔调谐QCL，其波长调谐范围为8.2-10.4μm。^[10]

2010年，Colombelli实验组对光子晶体量子级联激光器进行了一些突破性研究_，制备了单模面发射光子晶体QCL。^[11]

2013年，Blanchard R.小组制备出了锥形量子级联激光器，该研究对改善量子级联激光器的光束质量起到了很好的作用。^[12]

2019年，Saverio Bartalini小组展示了一款全相位稳定QCL频率梳。^[13]

图2. QCL重要研究进展^[14]

QCL自1994年首次展出到现在，经过了20多年的发展，QCL获得了国内外科研院所和科技人员的广泛关注和大量研究，QCL 重要研究进展如图2所示主要，研究机构国外的有贝尔实验室、哈佛大学、美国西北大学、瑞士苏黎世理工学院等，国内主要有上海微系统与信息技术研究所、北京半导体所等。

三、QCL特点

相比较与其它激光器，量子级联激光器的优点如下：

1) 中远红外和太赫兹波段出射；在QCL发明之前，半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段，当我们需要使用中远红外和太赫兹波段的激光时，半导体激光器对此则有些无能为力，不同体系激光器激射波长范围如图3。QCL的发明，使得半导体激光器也能激射出中远红外和太赫兹波段的激光。

图3. 不同激光器发光范围^[15]

2) 宽波长范围；QCL激射波长取决于子带间能量差，可以通过设计量子阱层厚度来实现波长控制，所以量子级联激光器的激射波长范围极宽（约3-250μm），并且可以根据实际需求设计特定波长的激光输出。

3) 体积小；QCL相比其它激光器如：一氧化碳激光器（激射波长为4-5μm）和二氧化碳激光器（激射波长为10.6μm），具有体积小、重量轻的特点，其携带方便，便于系统化和集成化。

4) 单极型结构；传统结构半导体激光器为双极型，其出光原理依靠的是p-n结中导带电子和价带空穴复合所产生的受激辐射，而QCL全程只有电子参与，空穴并未参与辐射发光过程，所以量子级联激光器为单极型激光器，且其出射的激光具有很好的单向偏振性。

5) 高的电子利用效率；因为QCL所独特的级联结构，电子在参与完子带间跃迁发光后，并没有湮灭，而是注入到下一个级联结构中的继续跃迁发光，所以量子级联激光器电子利用效率大幅度提高，理论上更容易获得大功率激射。

由于QCL具有这些独特的优点，以及其在中远红外和太赫兹波段重要的应用价值，针对于量子级联激光器的应用也在快速展开，如环境检测、痕量气体检测等，此外在军事方面也有重要应用，如激光制导、毒气检测、激光雷达、自由空间通讯等。

四、QCL应用

在QCL发明之前，半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段，QCL则将半导体激光器的发光范围拓展到了中远红外以及太赫兹波段。QCL在气体检测、空间通讯、红外对抗、太赫兹成像等方面有着很多重要的应用。

4.1 气体检测

中远红外波段包含了两个重要的大气窗口3-5μm和8-13μm波段，很多气体的特征吸收峰都在这个波段，如 NO、CO、CO₂、NH₃、SO₂、SO₃等，还有一些人体疾病如糖尿病、哮喘、胸、肺、精神疾病等特征气体的吸收谱线也处于此波段，如图4。

图4. 不同气体的特征吸收峰

基于QCL的检测系统，具有体积小、检测速度快、精确度高等特点，可以广泛的应用在环境检测、痕量气体检测、医疗诊断等方面，基于QCL的气体检测系统是QCL最重要的应用之一，如气体检测系统如图5。

相比于传统的气体检测技术（电化学检测、气相色谱分析、红外LED），量子级联激光器在气体检测的优势如下：

1、量子级联激光器具有很窄的光谱线宽，可以获得气体分子、原子光谱线中精细结构，因此基于量子级联激光器的气体检测系统分辨率要远高于其他光谱检测方法，而且系统中不需要分光器件，可以通过调谐QCL的波长，就可在光电探测器中直接得到其吸收光谱。

2、QCL的光束质量好，其出射光的发散角小，可以利用光的反射来设计光学长程池从而增加系统的吸收光程，进而就可以提高系统的灵敏度，这对于低浓度的气体检测十分有效。

图5. 基于QCL的气体检测系统^[16]

4.2 红外对抗

目前红外制导导弹大部分都工作在3-5µm这个波段，因为这个波段是飞机尾喷的热辐射最强，而且还处于大气透射窗口，所以导引头的大部分都设计在这个波段。为了对抗这些红外制导的导弹，发射波长在3-5µm中红外激光器是理想的光源。QCL可以发射3-5µm的激光，且具有超小的体积，为红外对抗的理想光源，是现在军事大国研究的热点，基于QCL红外对抗系统如图6。近几年3-5µm波段的QCL已经得到突飞猛进的发展，该波段的量子级联激光器主要采用InP系材料，其在室温下连续输出功率已经达到了3W以上。

图6. 基于QCL红外对抗系统示意图

脉动科技代理了美国Block Engineering 公司两种QCL产品，一种为Mini-QCL模块, 如图7 (A)，输出波长为5.4~12.8 μm，方便客户集成到各类系统中；另一种为已经集成化的QCL-System，如图7 (B)，拥有液晶显示器，非常便于操作，用户体验友好，方便操作和调谐。关于两种产品的详细性能参数，如图8。

图7. 脉动科技代理的美国Block Engineering 公司QCL产品。

（A）Mini-QCL模块，QCL模块大小如硬币一般；控制系统能够控制4个激光模块，调谐范围为5.4~12.8 μm。
(B).QCL-System，QCL系统拥有用户友好的交互界面，方便操作和调谐；可集成4个QCL模块，调谐范围为5.4~12.8 μm。

图8. Mini-QCL模块和QCL-System性能。

(A) Mini-QCL模块，拥有业内领先的调谐范围，单模块QCL的可调谐范围为7.5到10.5，多模块QCL则可以达到5.4到12.8μm。

(B) QCL-System，集成4个QCL模块，波长调谐范围为5.4-12.8 拥有业界领先的无间隙调谐范围。

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