自1994年贝尔实验室首次推出量子级联激光器(QCL)以来，该技术得到十足的发展，从单纯的光子学研究前沿领域发展为以封装激光器、QCL驱动的科学工具和控制软件和强大的集成系统。这些系统在国防、材料分析、环境监测以及医学和生物制药研究中得到了广泛应用。

QCL已成为光谱应用中相干中红外光、色心激光器、差频产生系统、光学参量振荡器和低温铅盐二极管激光器的主要来源。它们还可用于一些需要坚固性和紧凑性的高功率应用。随着 QCL的进步和应用程序的加速，重新审视该技术的基础可能会有所帮助。

图1：典型量子级联结构的导带能量图。在由x轴表示的100nm跨度内是交替的量子阱和势垒以及离散能级的波函数的平方模量

QCL基础知识

电子的能量是通过施加限制电势来量化的。量子化的电子能级和能级差随着势垒的空间尺寸变小而增加。能级之间的电子跃迁可能会发射或吸收光子，这取决于选择规则和守恒限制。

与涉及导带电子与价带空穴复合的半导体异质结二极管激光器明显不同的是，QCL是利用导带内电子的能量受限状态之间的跃迁。在QCL中，通过交替具有各种带隙的半导体化合物层（例如，GaInAs、AlInAs 或 GaInAs）在一维中形成量子阱。这些层通过分子束外延、金属有机化学气相沉积或两者兼而有之，在衬底晶片（通常是InP）上外延生长。

量子隧道效应发生在相邻的阱之间，发生的概率与分隔屏障的高度和宽度成反比。因此，一系列多个薄隔开的阱可以隧道耦合，从而产生跨越系列长度的电子波函数。该区域中有效限制的扩展长度产生了紧密间隔的能级和增强的电子运动性。

如图1所示，施加足够的电压会导致注入器区域在能量上紧密对齐，并通过谐振隧道快速填充到光跃迁的上层（第3层）。光子发射后，电子必须迅速从较低的跃迁能级（能级2）中移除，否则激光将停止。

为了实现这一点，发射区中的量子阱和势垒被设计为创建另一个能级（1级），该能级比2级低大约一个光学声子的能级。由此产生的快速共振散射足以维持3 级和2级之间的种群反转。一个典型的QCL包括10到100个串联的注入器/发射器层序列，以便为给定电流提供相应的光学增益增加。

图2：由于QCL-IR发射器坚固、紧凑且重量轻，因此它们正被用作安装在旋翼飞机上的定向红外对抗系统，以帮助对抗热寻的肩射导弹

这个简短的描述掩盖了设计和制造工作QCL所需的丰富理论细节和技术熟练程度。这些设备的潜在设计空间是巨大的。然而，几十年的设计变化和优化工作已经在光功率、效率和波长覆盖范围内建立了令人印象深刻的基准。

总之，驱动QCL操作的电子能级和相关波函数由半导体合金的外延层厚度和施加的整体偏置的可控参数所决定。状态之间的隧道效应和散射率通过波函数的重叠积分进行修改。通过设计控制这些速率，可以实现光学增益所需的总体反转。

图1表示，引起激光能级3和2之间的光学跃迁的量子阱由一系列狭窄分离的阱隔开，这些阱包括快速将电子从最低激光状态（能级1）扫出并进入下一个有源区的上能级的注入区。通过将两个能级之间的能量差设计为与晶格的光学声子共振，可以增强电子从能级2到能级1的非辐射散射。

为了形成功能激光器，具有外延生长层的衬底晶片经过光刻处理和蚀刻以形成肋形或脊形波导。半绝缘材料可以在侧壁上重新生长，以实现外延安装，以改善散热。晶圆被切割并切割成单独的法布里-珀罗激光器（Fabry-Pérot），这些激光器可安装到合适的散热器上。

从实验到解决方案

在贝尔实验室首次展示QCL后不久，该技术就被转化为商业产品。早期的工业和学术界联盟，例如用于健康和环境的中红外技术(MIRTHE)团体，开创了QCL技术的第一个早期应用。

他们的早期成功之一发生在2008年北京奥运会期间，其中一个称为量子级联激光开放路径系统(QCLOPS)的QCL开放路径分析系统测量了大气中的臭氧、氨和二氧化碳。这个早期的系统表明，基于QCL的系统可以在实验室环境之外提供高度敏感的化学信息。

此后，QCL源一直被认为是可靠、高精度科学仪器的重要组成部分，但它们也变得坚固和小型化，可用于商业和军事用途。大功率QCL是一种理想的移动防御解决方案，因为它们相对紧凑且重量轻。这促使它们在定向红外对抗(DIRCM)中得到应用，例如安装在旋翼飞机上的系统，用于帮助对抗寻热肩射导弹，如图2。

医学和生命科学领域的研究人员也探索了QCL-IR光源的潜力。例如，德国法兰克福歌德大学的研究人员设计了一种无创血糖仪的早期原型，将QCL-IR光与光热检测相结合，以光谱方式探测指尖皮肤层间质液中的葡萄糖浓度。该方法刚刚经历了有希望的临床前验证。

图3：由 QCL-IR显微镜收集的高光谱数据构建的癌性结直肠组织的化学图像

同样，QCL-IR源在高灵敏度呼吸分析方面具有巨大潜力。一些研究人员正在使用该技术探索呼吸样本中疾病的生物标志物。例如患者可以向气室呼气，然后快速调整QCL系统可以检测呼气中是否含有化学生物标志物。该应用程序处于早期阶段，但它通过医疗保健专业人员进行实用且简单的筛查，开创了早期疾病干预的未来。

此外，随着药物制造商向连续制造和工业4.0迈进，他们表达了对能够表征蛋白质（包括高阶结构信息）并连续实时进行定量分析的仪器需求的增长。针对该应用的基于QCL的分析仪已经进入市场，并被业界广泛采用。

QCL技术也为显微技术提供了新途径。通过将QCL源的高光谱亮度与宽视场光学器件和微测辐射热计检测器相结合，QCL-IR显微镜能够在1分钟内以高通量捕获高光谱图像，获得令人惊叹的2×2mm2视场。

波鸿鲁尔大学的研究人员利用这种显微镜进行了一项研究，将QCL-IR显微镜与传统组织病理学的有效性进行了对比，传统组织病理学在光学显微镜下检查了一系列免疫组织化学标记。

研究结果表明，通过QCL-IR显微镜实现的红外化学成像为癌症的早期检测提供了新的光谱生物标志物（图3）。新标记显示出与通过传统组织病理学技术收集的标记相当的灵敏度和选择性。

类似的仪器正在新兴的微塑料分析中找到应用。Alfred Wegner研究所的研究人员正在使用 QCL构建微塑料样品分类器，以帮助应对世界日益严重的塑料污染危机。与拉曼和傅里叶变换红外成像相比，QCL-IR仪器的大视场和高光谱成像能力将数据采集速度提高了10倍。

在上述两种应用中，QCL-IR成像都能快速提供有关感兴趣样品的空间和化学信息。这种速度对于分析大量样品或必须在短时间内分析样品时尤其重要。

QCL也已集成到光谱仪系统中，用于气相和液相分析。激光器的高光谱亮度可以直接穿过流通池，无需使用衰减全反射来分析液体或气体样品。这一发展使原位液体分析能够在广泛的工业应用中进行，从药物开发中蛋白质的表征和定量到监测水处理厂中的铵。

尽管应用范围广泛且不断增长，但QCL技术仍处于商业演进的早期阶段，其大部分潜力仍悬而未决。新兴的组件和系统设计正在引入更紧凑、更坚固的光源，具有更高的输出功率和更高的光束质量。与此同时，数十个领域的研究人员和工程师继续为这些独特的红外和太赫兹光源寻找创新应用。