量子级联激光器的功能|应用

　　量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段新型单极半导体器件，其工作原理是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿，与通常的半导体激光器截然不同。

量子级联激光器的功能

　　量子级联激光器是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。

　　在量子级联激光器中，出射激光波长仅取决于导带子带的能量间隔，因此可以获得中长波激光;而且在同种材料体系中，可以通过半导体厚度和组分的能带工程，改变各量子阱的宽度和间隔，改变跃迁能级之间的能量间隔ΔEc，改变出射激光的波长。

　　另一方面，在量子级联激光器中，电子在发射激光后，仍保持在导带中;电子可以通过注入到相邻的有源区，再次发射光子。为了得到光子的这种级联发射，有源区和电子注入区交替，并加适当偏压，形成能量阶梯，每一阶都发射光子，这是量子级联激光器可以高功率工作的主要原因。

　　不同於传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，量子级联激光器受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。量子级联激光器开创了中、远红外半导体激光器的先河。因此，它在红外通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟尘分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很大的应用前景。

量子级联激光器的应用

　　量子级联激光器的应用在于中波红外和长波红外(包含THz)频段可以得到的适当功率的激光，以及半导体激光技术体制带来良好的适装性。量子级联激光器的应用领域包括：红外对抗、痕量气体检测、THz通信等。

　　1、红外对抗系统

　　定向红外对抗(DIRCM)是将红外干扰光源的能量集中在导 弹导引头视场内，干扰或饱和红外导引头上的探测器和电路，使导 弹丢失目标，从而保护飞机免受红外制导导 弹威胁。

　　量子级联激光器由于体积小、重量轻，可室温工作;与2.0m或1.6m固体激光器+OPO技术体制的干扰激光源相比，电光转换效率高得多，具有更加良好的适装性，工作波长更适合调谐在中波红外制导武器的峰值工作波段内。量子级联激光器技术上已经取得了突破性进展。

　　2011年7月，Daylight Solutions公司公布消息称基于量子级联激光器的红外干扰机通过了美国空军的测试，验证了干扰机可以有效保护大型飞机、小型飞机和旋翼直升机免受对付红外制导武器(如肩扛式空防武器等)的威胁。

　　2、痕量气体检测

　　激光光谱检测系统是实现痕量气体检测的主要手段。温室效应气体CO2、CH4、N2O等，以及神经毒气、糜烂毒气、爆 炸物等气体，与疾病诊断如哮喘、溃疡、肾、肝、胸、肺、糖尿病、器官排异、精神分裂等有关的特征气体，其基频吸收谱线均落在2-14m波段内。

　　基于单模宽光谱调谐量子级联激光器可以同时实现多种痕量气体检测，具有体积小、重量轻、检测速度快、适装性好等优点，可广泛地应用于国家安全、环境监测、工农业生产、YL诊断、太空探索等领域。基于量子级联激光器的红外光谱检测技术已成为各发达国家研究的热点。

　　3、THz通信

　　太赫兹(THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。THz通信是未来THz领域的重要应用，具有大气不透明、带宽宽、天线小、定向性好、安全性高和散射小等特点，决定了其应用领域非常广泛，包括卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网、短程安全大气通信以及发展THz通信理论。

　　关于THz军事通信的研究计划也层出不穷，如：美国航空航天局(NASA)、美国空军科学研究办公室实验室(AFOSR)和美国空军研究实验室(AFRL)的传感器研究部研究空军成像，通信和预JY的紧凑创新的SiGe基THz源和探测器，欧盟第五框架计划资助的WANTED工程及NanoTera工程。

　　目前THz源发射器的研究主要有THz-QCL、差频发生器(DFG)、参量振荡器(TPO)及其它THz源发生器。在这些THz发射器中，THz-QCL具有电光转换效率高，体积小、重量轻、适装性好等优点，是量子级联激光器的重要发展方向。

　　根据量子级联激光器产业发展曲线的趋势预测，当前量子级联激光器产业应处于产品化的关键阶段，国际企业已经基本完成技术积累，国内企业开展量子级联激光器技术研究，时不容缓，机遇和挑战同在。