什么是量子級聯(lián)激光器？

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，全球量子級聯(lián)激光器（QuantumCascadeLasers,QCL）市場2017——2022年期間的復(fù)合年增長率為3.9%，預(yù)計市場有望到2022年增長至3.748億美元。

　　什么是量子級聯(lián)激光器？

　　量子級聯(lián)激光器的發(fā)明是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域中具有里程碑意義的發(fā)展,開創(chuàng)了中遠紅外半導(dǎo)體激光的新領(lǐng)域。因為在中遠紅外波段，能用的激光器太少，而它恰恰能夠工作于中紅外區(qū)域（2.75-25μm），甚至太赫茲波段，而且波長可調(diào)。

　　雖為半導(dǎo)體激光器，但是它的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機制，其發(fā)光波長由半導(dǎo)體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。

　　它的級聯(lián)過程，即電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個過程再次發(fā)光。這個級聯(lián)過程使這些電子“循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。

　　量子級聯(lián)激光器能做什么？

　　量子級聯(lián)激光器目前的主要用途是氣體檢測、紅外對抗和太赫茲通信，尤其是在中波紅外4-6μm波段，基本達到了實用化程度。

　　1）氣體檢測

　　溫室效應(yīng)氣體CO2、CH4、N2O等，以及神經(jīng)毒氣、糜爛毒氣、爆炸物等氣體，與疾病診斷如哮喘、潰瘍、腎、肝、胸、肺、糖尿病、器官排異、精神分裂等有關(guān)的特征氣體，其基頻吸收譜線均落在2-14μm波段內(nèi)，而這正是QCL激光器的作用波段，所以它可廣泛應(yīng)用于國家安全、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、太空探索等領(lǐng)域。

　　通常QCL都會被集成到光譜儀中，完成紅外光譜檢測。QCL被認為是當(dāng)前中遠紅外范圍內(nèi)進行氣體檢測的優(yōu)勢光源。

　　2)紅外對抗

　　定向紅外對抗，通俗來說就是防止飛機受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的威脅，是目前最有效的制導(dǎo)手段，一直備受世界各軍事大國的關(guān)注。QCL激光器鎖定目標(biāo)后發(fā)射低功率激光脈沖來干擾導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，使其失去方向，從而保障飛機的安全，適合配備在直升機、傾轉(zhuǎn)旋翼機和小型固定翼飛機上使用。

　　早期的定向紅外裝備中使用的是中波光參量振蕩激光器?，F(xiàn)在有些國家的軍隊已開始更新?lián)Q代，使用QCL激光器。例如美國陸軍投入約15億美元開展了“通用紅外對抗系統(tǒng)”（CIRCM）項目，全部采用更新?lián)Q代的QCL激光器。據(jù)悉美國陸軍定制了1076套系統(tǒng)，計劃2017年底正式裝備。

　　由此可見，QCL激光器將會成為紅外對抗系統(tǒng)中的主力。

　　當(dāng)前CH-47“支奴干”直升機上裝備的“高級威脅紅外對抗系統(tǒng)”ATIRCM，其對于陸軍的飛機而言體積過大，未來將被CIRCM取代

　　3）太赫茲（THz）通信

　　THz通信是未來THz領(lǐng)域的重要應(yīng)用，但因THz發(fā)射源及探測器的缺乏，導(dǎo)致THz技術(shù)起步較晚。目前THz源發(fā)射器的研究方向主要有THz-QCL、差頻發(fā)生器（DFG）、參量振蕩器（TPO）及其他THz源發(fā)生器。

　　其中，THz-QCL具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、適裝性好等優(yōu)點，是QCL的重要發(fā)展方向，將在通訊、成像和譜分析等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。