量子级联激光器的多功能性使其成为中红外区域的良好选择。

自1960年休斯研究实验室首次成功运行以来，激光技术一直处于创新和研究的中心。半导体激光器于1962年首次出现，当时罗伯特·N·霍尔推出了第一个砷化镓激光二极管。早期的半导体激光器由于需要低温操作而不实用。1970年，贝尔实验室的Izuo Hayashi和Morton Panish成功地制造了一种可以在室温下工作的激光二极管；这一突破是通过在两层不同的半导体之间夹一层薄薄的砷化镓活性层来制造双异质结构。这两种半导体之间的边界，也被称为异质结，将电荷载流子和产生的光都限制在有源层上，导致光的放大更大。

活性层的变化和改进是许多研究的主题，1971年R.F.Kazarinov和R.A.Suris提出了使用一系列薄得令人难以置信的异质结构来限制电子的想法——量子阱。然而，直到1994年，贝尔实验室的J.Faist和F.Capasso才证明了第一个使用量子阱内电子跃迁的量子级联激光器（QCL）。诸如金属有机气相外延（MOVPE或MOCVD）之类的生长技术的进步提供了设计这些结构所需的精确厚度控制。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，但到2002年，J.Faist的团队已经设计出适合在室温下连续工作的有源层结构。自引入以来，QCL的发射范围从中红外（MIR）到太赫兹区域。制造技术的进步加上QCL发射范围的多功能性，使其成为一种有吸引力的激光源，有可能用于各种MIR应用。

Part 1 QCL特性

与激光二极管不同，QCL不依赖于电子-空穴对复合来进行光放大，而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。这是QCL开发的一个显著优势，因为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。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。

Part2 应用

DFB QCL特有的窄线宽或其光谱宽度使其成为气相光谱应用的一种很有前途的MIR光源，因为需要高光谱分辨率来区分分子的吸收线。使用MIR源可以测量基本振动（分子“指纹”）的更强吸收，分析所需的路径长度更短。在MIR区域中操作也可以呈现较少的干扰源。这也允许在较长的路径长度和其他MIR测量技术不可能的浓度下分析非常低的浓度。使用具有QCL的外腔配置，其中输出波长是在衍射光栅的帮助下选择的，允许使用激光器的整个光谱增益，从而从一个设备获得更宽的可调谐性。外腔QCL用于从军事技术到医学成像的广泛应用，但红外光谱也是一种常见的应用。利用这样的宽光谱可以对未知物种进行表征，并且在MIR中操作可以创建高特异性的测量。

环境示例--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。

图3 使用7.87µm CW驱动的DFB QCL获得的空气中一氧化二氮（N2O）和甲烷（CH4）的吸收光谱测定结果。

在2008年奥运会期间，测量大气中痕量气体的能力在研究北京的空气质量方面发挥了重要作用，为此，来自健康与环境中红外技术中心的Anna Michel团队开发了一种基于QCL的开放路径遥感器。在奥运会前，中国的空气质量受到了密切关注，促使中国政府对奥运会期间进行了重大调整。这为观察和量化这些变化对空气质量的影响提供了一个独特的机会，其中包括关闭北京的工厂和限制车辆通行。米歇尔的团队使用可调QCL设计了他们的传感器，以连续监测水蒸气、臭氧、氨和二氧化碳，并能够测量十亿分之一的波动水平。使用QCL还使传感器能够在长距离内进行集成测量，这与只能在固定点进行测量的现有气体传感器相比具有优势。与商用定点传感器一起进行测量，验证了新的开路传感器。

图4 基于QCL的开路传感器可以对现场的各种气体进行移动测量。由普林斯顿大学Zondlo教授团队提供

已经使用各种技术开发了类似的开路传感器，以克服现场测量中的传输变化。Nikodem等人介绍了Chirped激光色散光谱法来量化DFB QCL照射的介质表面的色散。然后可以使用分散测量来量化吸收介质或气体的浓度，而不需要直接的吸收测量。Nikodem的系统被部署在现场实验中，尽管由于环境条件的影响，传输量有很大波动，但仍测量了十亿分之一体积的浓度。

国防——越来越多的安全和安保问题导致了能够在对峙距离内追踪探测爆炸物的系统的发展。传统的痕量检测方法包括通过拭子收集样品，然后用离子迁移谱仪进行分析。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。

高光谱成像（HSI）是一种收集整个图像或场的光谱信息的技术，与QCL相结合也有好处。Goyal等人开发了一种HSI系统，该系统使用QCL阵列来主动照明他们的场景。在MIR范围内看到的相同独特的吸收指纹有助于识别具有HSI的化学物质和化合物，收集光谱上整个场景的吸收信息。虽然热成像有助于在场景中定位感兴趣的物体，但用HSI在光谱上拍摄该图像不仅可以定位物体，而且有助于根据其吸收特性识别材料。Goyal使用了一个QCL阵列，而不是可调谐的外腔QCL，以促进波长光束组合，该组合与数字像素焦平面阵列相机配对。相机的高帧速率与QCL阵列的高速波长调谐相结合，导致HSI立方体的更快采集。在实地，更快的获取将转化为更快地探测和潜在地识别爆炸材料和化学制剂。

生物——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的另一个生物学应用来自大阪大学的医学束物理实验室，Hashimura等人在该实验室提出使用5.7µm QCL作为激光手术刀。QCL激光手术刀在鸡胸脯组织上进行了测试，并导致了类似于临床CO2激光的软组织消融。这项研究的目标是酯类、酰胺类和水在5至7µm范围内的吸收带，与传统临床激光相比，有望提高软组织的切割效率。QCL仍然产生了与CO2激光器相当的热效应，而其他研究已经确定了MIR激光系统，该系统可以在较小的热损伤下实现软组织消融。在该波长范围内，QCL的峰值功率的未来改进将意味着蒸发组织所需的脉冲数量减少，从而减少对周围组织的暴露和热损伤。