自1994年貝爾實驗室首次推出量子級聯激光器(QCL)以來，該技術得到十足的發展，從單純的光子學研究前沿領域發展為以封裝激光器、QCL驅動的科學工具和控制軟件和強大的集成系統。這些系統在國防、材料分析、環境監測以及醫學和生物制藥研究中得到了廣泛應用。
QCL已成為光譜應用中相干中紅外光、色心激光器、差頻產生系統、光學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用。隨著 QCL的進步和應用程序的加速，重新審視該技術的基礎可能會有所幫助。
圖1：典型量子級聯結構的導帶能量圖。在由x軸表示的100nm跨度內是交替的量子阱和勢壘以及離散能級的波函數的平方模量
QCL基礎知識
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射或吸收光子，這取決于選擇規則和守恒限制。
與涉及導帶電子與價帶空穴復合的半導體異質結二極管激光器明顯不同的是，QCL是利用導帶內電子的能量受限狀態之間的躍遷。在QCL中，通過交替具有各種帶隙的半導體化合物層（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。
量子隧道效應發生在相鄰的阱之間，發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，從而產生跨越系列長度的電子波函數。該區域中有效限制的擴展長度產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致注入器區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。
為了實現這一點，發射區中的量子阱和勢壘被設計為創建另一個能級（1級），該能級比2級低大約一個光學聲子的能級。由此產生的快速共振散射足以維持3 級和2級之間的種群反轉。一個典型的QCL包括10到100個串聯的注入器/發射器層序列，以便為給定電流提供相應的光學增益增加。
圖2：由于QCL-IR發射器堅固、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，以幫助對抗熱尋的肩射導彈
這個簡短的描述掩蓋了設計和制造工作QCL所需的豐富理論細節和技術熟練程度。這些設備的潛在設計空間是巨大的。然而，幾十年的設計變化和優化工作已經在光功率、效率和波長覆蓋范圍內建立了令人印象深刻的基準。
總之，驅動QCL操作的電子能級和相關波函數由半導體合金的外延層厚度和施加的整體偏置的可控參數所決定。狀態之間的隧道效應和散射率通過波函數的重疊積分進行修改。通過設計控制這些速率，可以實現光學增益所需的總體反轉。
圖1表示，引起激光能級3和2之間的光學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（能級1）掃出并進入下一個有源區的上能級的注入區。通過將兩個能級之間的能量差設計為與晶格的光學聲子共振，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過光刻處理和蝕刻以形成肋形或脊形波導。半絕緣材料可以在側壁上重新生長，以實現外延安裝，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，該技術就被轉化為商業產品。早期的工業和學術界聯盟，例如用于健康和環境的中紅外技術(MIRTHE)團體，開創了QCL技術的第一個早期應用。
他們的早期成功之一發生在2008年北京奧運會期間，其中一個稱為量子級聯激光開放路徑系統(QCLOPS)的QCL開放路徑分析系統測量了大氣中的臭氧、氨和二氧化碳。這個早期的系統表明，基于QCL的系統可以在實驗室環境之外提供高度敏感的化學信息。
此后，QCL源一直被認為是可靠、高精度科學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)中得到應用，例如安裝在旋翼飛機上的系統，用于幫助對抗尋熱肩射導彈，如圖2。
醫學和生命科學領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的研究人員設計了一種無創血糖儀的早期原型，將QCL-IR光與光熱檢測相結合，以光譜方式探測指尖皮膚層間質液中的葡萄糖濃度。該方法剛剛經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據構建的癌性結直腸組織的化學圖像
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，然后快速調整QCL系統可以檢測呼氣中是否含有化學生物標志物。該應用程序處于早期階段，但它通過醫療保健專業人員進行實用且簡單的篩查，開創了早期疾病干預的未來。
此外，隨著藥物制造商向連續制造和工業4.0邁進，他們表達了對能夠表征蛋白質（包括高階結構信息）并連續實時進行定量分析的儀器需求的增長。針對該應用的基于QCL的分析儀已經進入市場，并被業界廣泛采用。
QCL技術也為顯微技術提供了新途徑。通過將QCL源的高光譜亮度與寬視場光學器件和微測輻射熱計檢測器相結合，QCL-IR顯微鏡能夠在1分鐘內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顯微鏡與傳統組織病理學的有效性進行了對比，傳統組織病理學在光學顯微鏡下檢查了一系列免疫組織化學標記。
研究結果表明，通過QCL-IR顯微鏡實現的紅外化學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組織病理學技術收集的標記相當的靈敏度和選擇性。
類似的儀器正在新興的微塑料分析中找到應用。Alfred Wegner研究所的研究人員正在使用 QCL構建微塑料樣品分類器，以幫助應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據采集速度提高了10倍。
在上述兩種應用中，QCL-IR成像都能快速提供有關感興趣樣品的空間和化學信息。這種速度對于分析大量樣品或必須在短時間內分析樣品時尤其重要。
QCL也已集成到光譜儀系統中，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。這一發展使原位液體分析能夠在廣泛的工業應用中進行，從藥物開發中蛋白質的表征和定量到監測水處理廠中的銨。
盡管應用范圍廣泛且不斷增長，但QCL技術仍處于商業演進的早期階段，其大部分潛力仍懸而未決。新興的組件和系統設計正在引入更緊湊、更堅固的光源，具有更高的輸出功率和更高的光束質量。與此同時，數十個領域的研究人員和工程師繼續為這些獨特的紅外和太赫茲光源尋找創新應用。
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