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量子级联激光器 (QCL) 证明了人类的聪明才智克服了看似不变的材料特性（激光波长由大块材料成分决定）。 与普通半导体激光器中电子与空穴在pn结复合产生的单个光子不同，QCL中的电子在一个频段内的量子化子带之间进行无数次子带间跃迁，从而形成光子“级联”。 通过调整 QCL 中超晶格的特性，可以调整发射波长。 提醒一句：带间级联激光器 (ICL) 与 QCL 有点相似，因为它们通过带间跃迁而不是子带跃迁产生光子。 ICL 本身也很有趣，但本文没有讨论。

QCL 是当今最常用的中红外 (mid-IR) 激光器之一（也是太赫兹辐射领域的潜在光源），因为它的效率远高于光学参量振荡器 (OPO) 等中红外光源和光参量放大器 (OPA)。 紧凑而坚固。 因此，QCL 是用于红外分子“指纹”光谱区域以及表 1 中列出的许多其他应用的光谱仪器最合适的光源。如果需要，可以将此类仪器制成小型、电池供电和耐用的可在现场使用的仪器。

表 1：中红外应用示例和所需的激光源

“中红外应用跨越多个市场，包括科学研究、生命科学、工业过程控制、环境监测以及国防和安全，”美国 Daylight Solutions 的科学产品总监 Leigh Bromley 说，这促进了采用QCL 和基于 QCL 的仪器。 生产。 “中红外应用的多样性，从敏感分子的检测和成像到保护飞机免受导弹攻击，正在推动对各种中红外激光系统的需求。”

范围和灵活性

Bromley 指出，QCL 的灵活性使其成为各种用途的理想选择。 QCL 的灵活性包括从小于 4 μm 到大于 12 μm 的中心波长、适应脉冲或连续波 (CW) 操作的能力、可在 500 cm-1 范围内调谐的宽增益带宽芯片、和功率缩放到几瓦。

得益于QCL芯片设计的不断进步，单颗QCL的调谐范围在过去几年迅速提升。 “今天，一些 QCL 通常提供超过 500 cm-1 的调谐范围，或比中心波长大 30%，”Bromley 说。 “然而，许多应用对更宽调谐范围的持续需求推动了多 QCL 激光器架构的发展。” ”

他指出，Daylight Solutions 的 MIRcat 使用多 QCL 架构，在一个密封的激光头中集成了多达四个可调 QCL 模块。 良好的光机械设计和所有 QCL 光路的同轴对齐确保了单个高度准直的输出光束（见图 1）。 MIRcat 可以提供脉冲和/或 CW 操作； 峰值或平均输出功率高达约 1W； 相对强度噪声 (RIN) 低至 -145dBc/Hz； 中红外调谐范围 >900cm-1（或 >6000nm）。

图 1：日光解决方案 MIRcat QCL（右上）在 IED 检测研究的实验装置中用作激光源

根据 Bromley 的说法，MIRcat QCL 是该公司红外显微镜平台的核心，该平台结合了多个 QCL 激光源和红外摄像机，可实现生物组织、聚合物和半导体材料的视频速率离散频率和高光谱成像。 红外成像，结合用于具有高刷新率的快速扫描激光引擎的分子传​​感器，以及多物种分子检测。

美国的 Block Engineering 制造紧凑、密封封装的脉冲外腔 QCL（见图 2），用作公司仪器内的“引擎”，包括 LaserWarn Detector，一种开放路径气体传感系统，用于保护关键Block Engineering 首席执行官 Petro Kotidis 说，设施不受产品化学腐蚀或有毒物质释放的影响。

图2：（a）LaserTune是Block Engineering生产的封装QCL，是该公司LaserWarn“触发-触发”开路气体传感系统的光源（b）

LaserTune QCL 可以在扫描模式下工作，也可以在 5.4-12.8 微米范围内的任何选定波长下工作，Kotidis 说。 该范围内的调谐可在不到40ms内完成，光谱分辨率约为1-2cm-1。 该系统具有优于1mrad的波束指向稳定性，脉冲频率高达3MHz，脉冲宽度为3-300ns。

QCL 可以与外部检测器（也由 Block 制造）结合使用，以创建用于红外分析和光谱评估的实验室工具，或者可以与用于过程、工业和环境应用的采样和气体或液体流通池集成。 Kotidis 为 LaserTune 列出的主要应用包括：红外显微镜（通过对衍射极限尺寸的目标进行成像来实现对微小样品的分析）、光纤耦合和原子力显微镜，后者利用宽光谱覆盖范围和快速光谱扫描能力.

单个 QCL 激光器

QCL 可采用如上所述的模块化形式，以在现场应用或其他形式的实验中实现长寿命和耐用性。 除了密封和对齐的 QCL 模块外，QCL 还提供其他形式光纤光谱仪可以测单波长，例如裸片 QCL（未焊接、未连接）、板上芯片（焊接在底座上）和可更换的激光器实验室外壳.

最新版本包括一个能够达到 -30°C 的帕尔贴冷却器，涂有抗反射 ZnSe 窗口，具有 3.5 至 12 μm 的高传输率，适用于各种脉冲或 CW QCL 板载芯片； 还包括一个温度传感器（需要对封装进行外部空气或水冷，以去除珀耳帖冷却器的热量）。 Alpes公司还生产低成本脉冲QCL，采用TO-3罐头封装形式，尺寸仅为38.8mm×25.4mm×20.5mm。

英国Stratium公司生产的Bruar是一种安装在衬底上的脉冲QCL芯片，峰值功率为50mW，可以发射2.8μm、3.3μm和10.0μm几种波长。 它专为气体传感和精密计量而设计。 与光谱学应用，可准确检测甲烷（CH4）、氯化氢（HCL）、甲醛（CH2O）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、一氧化氮（NO）等微量气体。

美国AdTech Optics公司生产分布式反馈（DFB）基片上芯片QCL，波长不可调，常驻波长有4.34μm、4.54μm、4.58μm、4.72μm、5.26μm、6.23μm、7.83μm、 9.47μm或10.26μm，其他波长也可按要求定制生产。 AdTech 的 QCL 提供的波长范围类似于密封或 TO-3 罐式封装以及 VHL 封装（顶部带有窗口的小外壳，用于传输 QCL 发出的非准直光）中的 QCL。

美国Thorlabs公司生产Fabry-Perot腔QCL和DFB QCL。 , Fabry-Perot cavity QCL具有适合医学成像、照明和显微镜应用的宽带输出； DFB QCL 具有较窄的输出频带，也可以在较窄的频率范围内进行调谐。 采用金属C-mount封装的产品尺寸仅为6.4mm×4.3mm×7.9mm，激光器与C-mount电气隔离。 这些 QCL 在使用中非常灵活，如果需要，Thorlabs 还提供支架、驱动器和温度控制。 由于 QCL 没有内置监控光电二极管，因此它们必须在恒流模式下运行。

内置于模块中供现场使用的 QCL 通常可以抵抗某些恶劣环境，但实验室中使用的 QCL 必须妥善处理以避免损坏。 Thorlabs 建议，为避免静电冲击和焊接烟雾以及灰尘和其他微粒，实验室 QCL 应与适当的电流源和用于温度管理功能的硬件一起使用。 小心不要掉落激光。

许多 QCL 制造商为 QCL 提供自己的激光驱动器和温度控制器。 总部位于美国的 Wavelength Electronics 是该领域的专家，为包括 QCL 在内的一系列激光器提供驱动器、温度控制设备和其他配件。 在一个案例中，该公司制造了不同形式的 QCL2000 2A QCL 驱动器，包括带有显示屏和旋钮的实验室仪器版本，以及带有散热器的小得多的密封盒（见图 3）。 两种版本均可与计算机联网，实现自动控制和监控。

图 3：来自 Wavelength Electronics 的 QCL2000 2A QCL 驱动器，提供实验室版本 (a) 和用于集成到系统中的小型密封盒版本 (b)

基于 QCL 的即用型系统

如前所述，一些 QCL 公司将他们自己的 QCL 集成到光谱仪和其他用于科学、工业和国防应用的仪器中。 例如，Daylight Solutions 的 MIRcat QCL 的脉冲版本（如上所述）已集成到该公司的 Spero 成像显微镜中。 根据 Bromley 的说法，Spero 旨在测量高分辨率红外成像和光谱数据，以识别和量化分子、化合物的化学成分和包含不同成分的样品。

“与基于 FTIR（傅立叶变换红外线）的显微镜系统采用低亮度非相干热源需要长时间扫描来构建光谱和图像不同，MIRcat 激光器的高输出功率和亮度允许使用大幅面、室温微测辐射热计相机，”Bromley 说。“使用这些相机可以实现视频速率离散频率成像。同样光纤光谱仪可以测单波长，可以通过以离散波长步长调整 MIRcat 和在每个波长记录的中红外图像来快速构建高光谱数据立方体。 time imaging 根据中红外光谱响应（化学成分）解释图像内容的能力正在为红外显微镜带来新水平的图像分析吞吐量和化学特异性，并为组织病理学和癌症诊断等领域铺平道路。带来新的，改变游戏规则的能力。”

Kotidis 说，Block Engineering 的 LaserWarn 开放式气体传感系统使用人眼安全的不可见光 QCL 为威胁性气态化学品创建“触发警报”。 感应系统覆盖距离为2-3公里，当危险化学品通过保护区内任意位置的“触发报警装置”时，系统将在不到一秒内报警。

“该系统提供了目前最灵敏的化学检测能力，可以在室内或室外以 24/7 连续模式运行，无需消耗品，”Kotidis 解释说。 “该产品的商业用例包括：监测工厂排放以实现更好的过程控制、减少环境污染以及遵守环境排放要求。 政府和安全应用的例子包括：保护交通枢纽、大使馆、政府设施和前沿作战军事基地免受化学攻击。”

Kotidis 补充说，使这一应用成为可能的 QCL 特性包括：超宽可调性，确保能够用少量激光检测大量化学物质； 在中红外波段对 QCL 进行亚秒级扫描，提供实时检测； 无需耗材即可运行的能力，这是在偏远地区持续运行的基本要求。

展望未来

量子级联激光器有着光明的未来，美国的 Pendar Technologies 正在展现这一未来的愿景，该公司开发了包含许多不同波长的 QCL 的单个芯片。

Pendar 化学分析与安全部副总裁 Mark Witinski 表示：“QCL 阵列作为一种潜在的改变游戏规则的解决方案不断发展，可以集成到最现代、最紧凑的传感器中。” “当前的前沿技术包括将波长覆盖范围扩展到更宽的部分以适应红外线；单片和小型化光束组合技术以实现稳健集成；以及定制电子设备，它们足够紧凑以用于新仪器，但功能强大到足以以相当低的电光效率正确驱动 QCL。

Pendar Technologies 目前正在开发单电子调谐 QCL 阵列，覆盖 6.7 至 11 μm 的整个长波红外区域。 一旦完成，它将成为公司将于 2017 年推出的天然气和凝相便携式检测平台的基础。”