在科技飛速發展的當下，光子技術作為現代科技的重要支柱之一，正以驚人的速度改變著我們的生活和世界。從早期的光纖通信技術，為全球信息傳遞搭建起高速橋梁；到激光技術在工業制造、醫療診斷、科研探索等眾多領域的廣泛應用；再到如今蓬勃發展的光電子學、量子光學等前沿領域，光科技始終處于科技創新的前沿陣地，不斷推動著人類社會的進步與發展。在光科技的浩瀚星空中，量子級聯激光器(quantum cascade laser, QCL)正以其獨特的魅力和強大的性能，引領著未來光科技的發展方向。隨著人類對光的探索不斷深入，對于光源的要求也越來越高，不僅需要更高的功率、更寬的波長范圍，還需要更好的調諧性能和更小的體積，然而，基于Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(如氮化鎵、銦鎵氮等)的激光器，其發光波長通常不超過4 μm，在此情況下，具有窄帶隙的Ⅱ-Ⅵ族半導體材料成為了用于制備更長波長半導體激光器的首要選項。盡管在半導體光電子領域，人類已經取得了一系列的進展，但在窄帶隙半導體材料的制備技術方面仍存在較大的瓶頸，因此，高性能、窄帶隙半導體激光器的制造仍舊是學術界和產業界的攻關難題。在此情況下，QCL吸引了研究者們的廣泛關注[1]。
QCL是發明于90年代的半導體激光器，其發明對激光領域的發展產生了深遠影響，因此被視為激光領域的一次革命和里程碑[2,3]：Faist等[4]在1994年首次報道了量子級聯激光器的發明，這標志著QCL技術的誕生，這一突破性的成果展示了QCL在中紅外波段的潛力，為后續的研究和應用奠定了基礎；進入21世紀，QCL技術取得了顯著進展，2002年，Evans等[5]發表了關于高溫、高功率連續波量子級聯激光器的研究，這展示了QCL在高溫下的穩定性和高功率輸出能力；Carras等[6]報告了室溫連續波金屬光柵分布反饋量子級聯激光器的開發，拓展了QCL的應用范圍 ；2024年，德國慕尼黑工業大學的研究團隊還通過改進材料生長工藝，顯著提高了激光器的電光轉換效率[1]。國際各國對于QCL也表現出了非常高的關注度，例如：美國國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動了多項與量子級聯激光器相關的研究項目，旨在開發高性能的用于軍事通信、紅外對抗等領域的中紅外和太赫茲激光源；此外，歐洲的“地平線2020”計劃也資助了多個量子級聯激光器的研發項目，重點支持其在環境監測、醫療診斷等民用領域的應用[7]。
量子級聯激光器的原理及結構
QCL具有如下顯著特點：1)發光波段覆蓋從中紅外至太赫茲波段的超寬光譜范圍，因此在中紅外波段的高精度檢測、太赫茲波段的高分辨率成像等前沿應用方面具有廣闊前景；2) QCL具備極佳的波長可調諧性，通過對其內部結構中的量子阱寬度等參數進行調控，就可以對發光波長進行調諧，該特性非常有利于探測應用的發展；3) QCL具有很高的輸出功率，能夠在無需復雜制冷系統的輔助下應用于長距離光通信、高精度加工等場景。QCL的能帶結構及工作原理示意圖如圖1所示。
圖1 (a) 級聯量子阱中光子輔助量子隧穿實現光放大；(b) QCL的有源區在偏壓下的導帶結構示意圖[8]
QCL的三種基本結構如圖2所示，包括F-P (Fabry-Perot) QCL，分布反饋DF (distributed feedback) QCL和外腔EC (external cavity) QCL。法布里-珀羅腔(FP) QCL作為最基礎的構造，其激光反饋源于切割端面，此外FP-QCL偶爾也會利用介質膜來提升輸出效果；DFB-QCL即分布式反饋量子級聯激光器，它是一種特殊的半導體激光器，專門用于中紅外波段，波長通常在4.33~7.67 μm之間，在芯片上刻蝕分布式反饋光柵后(光柵能夠控制特定波長的光輸出)，實現單模或窄線寬的激光輸出，與FP-QCL相比，DFB-QCL的輸出光譜較窄，但輸出功率較低，此外，DFB-QCL還具備一定的波長調諧能力，可以通過改變工作電流和操作溫度在一定范圍內調整輸出波長；通過將QCL芯片和外腔相結合，還可以構成EC QCL結構，該芯片結構不僅能夠提供窄光譜輸出，還可以在QCL芯片的整個增益帶寬上(數百cm-1)提供速度超過10 ms的高速調諧[9]。
圖2 中紅外光纖輸出量子級聯激光器結構示意圖[10]
量子級聯激光器的前沿應用
量子級聯激光器的“神奇”之處不僅在于其卓越的技術性能，更在于它為多個領域帶來了前所未有的變革。QCL作為中紅外至太赫茲波段的主流光源，具有超寬光譜范圍、極佳的波長可調諧性和高輸出功率等優勢，因此在氣體檢測、醫療診斷、自由空間通信、定向紅外對抗等前沿領域存在廣泛的應用。
圖3 QCL主要應用方向
1、氣體檢測
中遠紅外波段包含了3~5 μm和8~13 μm波段兩個重要的大氣窗口，以及糖尿病、哮喘、胸、肺、精神疾病等部分人體疾病的特征氣體的吸收譜線。如圖4所示，與氣相色譜分析、紅外LED等傳統氣體檢測技術相比，基于QCL的系統在氣體檢測方面具有高分辨率、光束質量高等優勢，在實際應用中，基于QCL的檢測系統還常被用于檢測大氣中的溫室氣體，例如：香港中文大學任偉教授、上海科技大學王成教授聯合團隊提出的一種無需相位控制的光反饋壓窄QCL線寬的方法，在降低傳統腔衰蕩光譜系統復雜度的同時，可以大幅提高測量信噪比，為中紅外痕量氣體探測提供了新思路[11]。隨著氣體檢測精度需求的持續攀升，QCL在該領域的應用潛力正不斷拓展。可預見的未來，QCL技術將朝著更高的靈敏度和更低的檢測限發展，有望實現對痕量氣體的超靈敏檢測。例如，通過發展基于量子精密測量的高精度痕量氣體檢測技術，QCL能夠滿足未來對氣體檢測精度的更高要求，在醫療領域用于檢測人體呼出的特定氣體，實現疾病的早期診斷。
圖4 基于QCL的N2O氣體傳感器系統[12]
2、紅外對抗
QCL在紅外對抗中有著重要的應用，主要體現在：QCL發射的高功率紅外激光能夠使導彈導引頭的光電探測器過載，導致其飽和或損壞，進而使得導彈無法繼續跟蹤目標。例如，美國軍方已經將基于量子級聯激光器的定向紅外對抗系統(DIRCM)應用于軍用飛機上，以提高飛機在戰場上的生存能力。基于QCL的紅外對抗系統架構如圖5所示[13]。隨著軍事技術的不斷發展，QCL在紅外對抗領域的應用前景廣闊。一方面，QCL技術將朝著更高的功率和更小的體積發展，使其能夠更有效地對抗新型紅外制導導彈，例如，美國軍方正在研究利用激光束直接殺傷或擊毀導彈導引頭的技術，做到“一擊致命”；另一方面，QCL將與其他先進技術相結合，如多光譜綜合告警系統，以提高對來襲導彈的探測能力和對抗效果。
圖5 QCL紅外對抗系統示意圖
3、生物醫療
QCL在醫療領域的應用廣泛，尤其在呼吸系統疾病診斷、血糖無創檢測、蛋白質結構分析和藥物成分分析等方面表現突出。在眼科領域，QCL可以用于眼角膜作圖；此外，2020年日本的研究團隊還成功應用QCL于血糖無創檢測領域，基于構建的中紅外光譜系統，實現了0.1%葡萄糖水溶液、人的嘴唇血糖的吸收光譜的監測和分析[14]。隨著檢測靈敏度的提升和檢測限的降低，QCL有望成為檢測生物標志物的首選工具，為疾病的早期診斷提供更精準的手段。例如，在無創血糖檢測方面，QCL技術的進步將使檢測更加便捷和準確，為糖尿病患者帶來福音。其次，QCL與其他前沿技術的融合將開辟新的應用領域。結合人工智能和大數據分析，QCL可以實現對復雜生物樣本的快速、準確分析，從而推動個性化醫療的發展。
圖6 紅外成像過程[2]
4、太赫茲通信
QCL在THz通信領域同樣具有非常廣闊的應用前景：其高功率、高效率特性滿足了THz通信過程中對信號源強度的需求，有利于拓展傳輸距離；其波長可調諧性優勢為THz通信中的多頻段應用提供了可能。基于上述特點，目前THz-QCL的實際應用包括有光頻梳、高速數據傳輸、信號調制解調等，并且在未來，THz-QCL還將在衛星通訊、深空探測等長距離通信領域獲得更加廣泛的應用[15]。QCL技術的持續發展將推動其在太赫茲通信中的應用。QCL有望成為未來太赫茲通信的理想信號源，滿足高數據速率和長傳輸距離的需求。此外，QCL與其他技術的融合將拓展其應用領域，如數據中心高速傳輸、熱點區域無線通信、全息通信和虛擬現實等，為未來通信技術發展提供強大支持。
圖7 太赫茲零差探測系統[16]。（a）太赫茲光路示意圖；（b）實驗裝置照片
5、空間通訊
2001年，貝爾實驗室率先在高速QCL方面開展了研究，并首次展示了響應頻率達到10 GHz的QCL，隨著QCL技術的持續發展，其在自由空間光通信領域的應用前景也逐漸受到通訊行業的廣泛關注[17]；2021年，法國巴黎電信公司的研究人員于開發出了一種基于QCL的光子混沌自由空間光通信系統，可成功實現0.5 Mbit/s的消息加密傳輸速率[18]。基于QCL的自由空間光通信系統在多個領域具有廣闊的應用前景：在軍事通信中，QCL的高安全性和抗干擾能力使其成為理想的選擇；在衛星通信中，QCL的高效傳輸特性有助于實現高速數據鏈路；在日常生活中，QCL也有望為寬帶互聯網接入提供新的解決方案。
圖8 自由空間光通信實驗系統[2]
來源：光電期刊
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