自1994年貝爾實驗室首次推出量子級聯(lián)激光器(QCL)以來，該技術(shù)得到十足的發(fā)展，從單純的光子學(xué)研究前沿領(lǐng)域發(fā)展為以封裝激光器、QCL驅(qū)動的科學(xué)工具和控制軟件和強大的集成系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在國防、材料分析、環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)學(xué)和生物制藥研究中得到了廣泛應(yīng)用。

QCL已成為光譜應(yīng)用中相干中紅外光、色心激光器、差頻產(chǎn)生系統(tǒng)、光學(xué)參量振蕩器和低溫鉛鹽二極管激光器的主要來源。它們還可用于一些需要堅固性和緊湊性的高功率應(yīng)用。隨著 QCL的進步和應(yīng)用程序的加速，重新審視該技術(shù)的基礎(chǔ)可能會有所幫助。

圖1：典型量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶能量圖。在由x軸表示的100nm跨度內(nèi)是交替的量子阱和勢壘以及離散能級的波函數(shù)的平方模量

QCL基礎(chǔ)知識

電子的能量是通過施加限制電勢來量化的。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發(fā)射或吸收光子，這取決于選擇規(guī)則和守恒限制。

與涉及導(dǎo)帶電子與價帶空穴復(fù)合的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二極管激光器明顯不同的是，QCL是利用導(dǎo)帶內(nèi)電子的能量受限狀態(tài)之間的躍遷。在QCL中，通過交替具有各種帶隙的半導(dǎo)體化合物層（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(xué)氣相沉積或兩者兼而有之，在襯底晶片（通常是InP）上外延生長。

量子隧道效應(yīng)發(fā)生在相鄰的阱之間，發(fā)生的概率與分隔屏障的高度和寬度成反比。因此，一系列多個薄隔開的阱可以隧道耦合，從而產(chǎn)生跨越系列長度的電子波函數(shù)。該區(qū)域中有效限制的擴展長度產(chǎn)生了緊密間隔的能級和增強的電子運動性。

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

為了實現(xiàn)這一點，發(fā)射區(qū)中的量子阱和勢壘被設(shè)計為創(chuàng)建另一個能級（1級），該能級比2級低大約一個光學(xué)聲子的能級。由此產(chǎn)生的快速共振散射足以維持3 級和2級之間的種群反轉(zhuǎn)。一個典型的QCL包括10到100個串聯(lián)的注入器/發(fā)射器層序列，以便為給定電流提供相應(yīng)的光學(xué)增益增加。

圖2：由于QCL-IR發(fā)射器堅固、緊湊且重量輕，因此它們正被用作安裝在旋翼飛機上的定向紅外對抗系統(tǒng)，以幫助對抗熱尋的肩射導(dǎo)彈

這個簡短的描述掩蓋了設(shè)計和制造工作QCL所需的豐富理論細節(jié)和技術(shù)熟練程度。這些設(shè)備的潛在設(shè)計空間是巨大的。然而，幾十年的設(shè)計變化和優(yōu)化工作已經(jīng)在光功率、效率和波長覆蓋范圍內(nèi)建立了令人印象深刻的基準。

總之，驅(qū)動QCL操作的電子能級和相關(guān)波函數(shù)由半導(dǎo)體合金的外延層厚度和施加的整體偏置的可控參數(shù)所決定。狀態(tài)之間的隧道效應(yīng)和散射率通過波函數(shù)的重疊積分進行修改。通過設(shè)計控制這些速率，可以實現(xiàn)光學(xué)增益所需的總體反轉(zhuǎn)。

圖1表示，引起激光能級3和2之間的光學(xué)躍遷的量子阱由一系列狹窄分離的阱隔開，這些阱包括快速將電子從最低激光狀態(tài)（能級1）掃出并進入下一個有源區(qū)的上能級的注入?yún)^(qū)。通過將兩個能級之間的能量差設(shè)計為與晶格的光學(xué)聲子共振，可以增強電子從能級2到能級1的非輻射散射。

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

從實驗到解決方案

在貝爾實驗室首次展示QCL后不久，該技術(shù)就被轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。早期的工業(yè)和學(xué)術(shù)界聯(lián)盟，例如用于健康和環(huán)境的中紅外技術(shù)(MIRTHE)團體，開創(chuàng)了QCL技術(shù)的第一個早期應(yīng)用。

他們的早期成功之一發(fā)生在2008年北京奧運會期間，其中一個稱為量子級聯(lián)激光開放路徑系統(tǒng)(QCLOPS)的QCL開放路徑分析系統(tǒng)測量了大氣中的臭氧、氨和二氧化碳。這個早期的系統(tǒng)表明，基于QCL的系統(tǒng)可以在實驗室環(huán)境之外提供高度敏感的化學(xué)信息。

此后，QCL源一直被認為是可靠、高精度科學(xué)儀器的重要組成部分，但它們也變得堅固和小型化，可用于商業(yè)和軍事用途。大功率QCL是一種理想的移動防御解決方案，因為它們相對緊湊且重量輕。這促使它們在定向紅外對抗(DIRCM)中得到應(yīng)用，例如安裝在旋翼飛機上的系統(tǒng)，用于幫助對抗尋熱肩射導(dǎo)彈，如圖2。

醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的研究人員也探索了QCL-IR光源的潛力。例如，德國法蘭克福歌德大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種無創(chuàng)血糖儀的早期原型，將QCL-IR光與光熱檢測相結(jié)合，以光譜方式探測指尖皮膚層間質(zhì)液中的葡萄糖濃度。該方法剛剛經(jīng)歷了有希望的臨床前驗證。

圖3：由 QCL-IR顯微鏡收集的高光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建的癌性結(jié)直腸組織的化學(xué)圖像

同樣，QCL-IR源在高靈敏度呼吸分析方面具有巨大潛力。一些研究人員正在使用該技術(shù)探索呼吸樣本中疾病的生物標志物。例如患者可以向氣室呼氣，然后快速調(diào)整QCL系統(tǒng)可以檢測呼氣中是否含有化學(xué)生物標志物。該應(yīng)用程序處于早期階段，但它通過醫(yī)療保健專業(yè)人員進行實用且簡單的篩查，開創(chuàng)了早期疾病干預(yù)的未來。

此外，隨著藥物制造商向連續(xù)制造和工業(yè)4.0邁進，他們表達了對能夠表征蛋白質(zhì)（包括高階結(jié)構(gòu)信息）并連續(xù)實時進行定量分析的儀器需求的增長。針對該應(yīng)用的基于QCL的分析儀已經(jīng)進入市場，并被業(yè)界廣泛采用。

QCL技術(shù)也為顯微技術(shù)提供了新途徑。通過將QCL源的高光譜亮度與寬視場光學(xué)器件和微測輻射熱計檢測器相結(jié)合，QCL-IR顯微鏡能夠在1分鐘內(nèi)以高通量捕獲高光譜圖像，獲得令人驚嘆的2×2mm2視場。

波鴻魯爾大學(xué)的研究人員利用這種顯微鏡進行了一項研究，將QCL-IR顯微鏡與傳統(tǒng)組織病理學(xué)的有效性進行了對比，傳統(tǒng)組織病理學(xué)在光學(xué)顯微鏡下檢查了一系列免疫組織化學(xué)標記。

研究結(jié)果表明，通過QCL-IR顯微鏡實現(xiàn)的紅外化學(xué)成像為癌癥的早期檢測提供了新的光譜生物標志物（圖3）。新標記顯示出與通過傳統(tǒng)組織病理學(xué)技術(shù)收集的標記相當?shù)撵`敏度和選擇性。

類似的儀器正在新興的微塑料分析中找到應(yīng)用。Alfred Wegner研究所的研究人員正在使用 QCL構(gòu)建微塑料樣品分類器，以幫助應(yīng)對世界日益嚴重的塑料污染危機。與拉曼和傅里葉變換紅外成像相比，QCL-IR儀器的大視場和高光譜成像能力將數(shù)據(jù)采集速度提高了10倍。

在上述兩種應(yīng)用中，QCL-IR成像都能快速提供有關(guān)感興趣樣品的空間和化學(xué)信息。這種速度對于分析大量樣品或必須在短時間內(nèi)分析樣品時尤其重要。

QCL也已集成到光譜儀系統(tǒng)中，用于氣相和液相分析。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或氣體樣品。這一發(fā)展使原位液體分析能夠在廣泛的工業(yè)應(yīng)用中進行，從藥物開發(fā)中蛋白質(zhì)的表征和定量到監(jiān)測水處理廠中的銨。

盡管應(yīng)用范圍廣泛且不斷增長，但QCL技術(shù)仍處于商業(yè)演進的早期階段，其大部分潛力仍懸而未決。新興的組件和系統(tǒng)設(shè)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(zhì)量。與此同時，數(shù)十個領(lǐng)域的研究人員和工程師繼續(xù)為這些獨特的紅外和太赫茲光源尋找創(chuàng)新應(yīng)用。