在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，光子技術(shù)作為現(xiàn)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(shù)，為全球信息傳遞搭建起高速橋梁；到激光技術(shù)在工業(yè)制造、醫(yī)療診斷、科研探索等眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；再到如今蓬勃發(fā)展的光電子學(xué)、量子光學(xué)等前沿領(lǐng)域，光科技始終處于科技創(chuàng)新的前沿陣地，不斷推動(dòng)著人類社會的進(jìn)步與發(fā)展。在光科技的浩瀚星空中，量子級聯(lián)激光器(quantum cascade laser, QCL)正以其獨(dú)特的魅力和強(qiáng)大的性能，引領(lǐng)著未來光科技的發(fā)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(diào)諧性能和更小的體積，然而，基于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料(如氮化鎵、銦鎵氮等)的激光器，其發(fā)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(dǎo)體材料成為了用于制備更長波長半導(dǎo)體激光器的首要選項(xiàng)。盡管在半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，人類已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展，但在窄帶隙半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)方面仍存在較大的瓶頸，因此，高性能、窄帶隙半導(dǎo)體激光器的制造仍舊是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的攻關(guān)難題。在此情況下，QCL吸引了研究者們的廣泛關(guān)注[1]。
QCL是發(fā)明于90年代的半導(dǎo)體激光器，其發(fā)明對激光領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，因此被視為激光領(lǐng)域的一次革命和里程碑[2,3]：Faist等[4]在1994年首次報(bào)道了量子級聯(lián)激光器的發(fā)明，這標(biāo)志著QCL技術(shù)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(xù)的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；進(jìn)入21世紀(jì)，QCL技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，2002年，Evans等[5]發(fā)表了關(guān)于高溫、高功率連續(xù)波量子級聯(lián)激光器的研究，這展示了QCL在高溫下的穩(wěn)定性和高功率輸出能力；Carras等[6]報(bào)告了室溫連續(xù)波金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器的開發(fā)，拓展了QCL的應(yīng)用范圍 ；2024年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還通過改進(jìn)材料生長工藝，顯著提高了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率[1]。國際各國對于QCL也表現(xiàn)出了非常高的關(guān)注度，例如：美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了多項(xiàng)與量子級聯(lián)激光器相關(guān)的研究項(xiàng)目，旨在開發(fā)高性能的用于軍事通信、紅外對抗等領(lǐng)域的中紅外和太赫茲激光源；此外，歐洲的“地平線2020”計(jì)劃也資助了多個(gè)量子級聯(lián)激光器的研發(fā)項(xiàng)目，重點(diǎn)支持其在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等民用領(lǐng)域的應(yīng)用[7]。
量子級聯(lián)激光器的原理及結(jié)構(gòu)
QCL具有如下顯著特點(diǎn)：1)發(fā)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(yīng)用方面具有廣闊前景；2) QCL具備極佳的波長可調(diào)諧性，通過對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的量子阱寬度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，就可以對發(fā)光波長進(jìn)行調(diào)諧，該特性非常有利于探測應(yīng)用的發(fā)展；3) QCL具有很高的輸出功率，能夠在無需復(fù)雜制冷系統(tǒng)的輔助下應(yīng)用于長距離光通信、高精度加工等場景。QCL的能帶結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖如圖1所示。
圖1 (a) 級聯(lián)量子阱中光子輔助量子隧穿實(shí)現(xiàn)光放大；(b) QCL的有源區(qū)在偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)示意圖[8]
QCL的三種基本結(jié)構(gòu)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(chǔ)的構(gòu)造，其激光反饋源于切割端面，此外FP-QCL偶爾也會利用介質(zhì)膜來提升輸出效果；DFB-QCL即分布式反饋量子級聯(lián)激光器，它是一種特殊的半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(diào)諧能力，可以通過改變工作電流和操作溫度在一定范圍內(nèi)調(diào)整輸出波長；通過將QCL芯片和外腔相結(jié)合，還可以構(gòu)成EC QCL結(jié)構(gòu)，該芯片結(jié)構(gòu)不僅能夠提供窄光譜輸出，還可以在QCL芯片的整個(gè)增益帶寬上(數(shù)百cm-1)提供速度超過10 ms的高速調(diào)諧[9]。
圖2 中紅外光纖輸出量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖[10]
量子級聯(lián)激光器的前沿應(yīng)用
量子級聯(lián)激光器的“神奇”之處不僅在于其卓越的技術(shù)性能，更在于它為多個(gè)領(lǐng)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(diào)諧性和高輸出功率等優(yōu)勢，因此在氣體檢測、醫(yī)療診斷、自由空間通信、定向紅外對抗等前沿領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用。
圖3 QCL主要應(yīng)用方向
1、氣體檢測
中遠(yuǎn)紅外波段包含了3~5 μm和8~13 μm波段兩個(gè)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(tǒng)氣體檢測技術(shù)相比，基于QCL的系統(tǒng)在氣體檢測方面具有高分辨率、光束質(zhì)量高等優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中，基于QCL的檢測系統(tǒng)還常被用于檢測大氣中的溫室氣體，例如：香港中文大學(xué)任偉教授、上海科技大學(xué)王成教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)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(tǒng)腔衰蕩光譜系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，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(xù)攀升，QCL在該領(lǐng)域的應(yīng)用潛力正不斷拓展。可預(yù)見的未來，QCL技術(shù)將朝著更高的靈敏度和更低的檢測限發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)對痕量氣體的超靈敏檢測。例如，通過發(fā)展基于量子精密測量的高精度痕量氣體檢測技術(shù)，QCL能夠滿足未來對氣體檢測精度的更高要求，在醫(yī)療領(lǐng)域用于檢測人體呼出的特定氣體，實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷。
圖4 基于QCL的N2O氣體傳感器系統(tǒng)[12]
2、紅外對抗
QCL在紅外對抗中有著重要的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在：QCL發(fā)射的高功率紅外激光能夠使導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的光電探測器過載，導(dǎo)致其飽和或損壞，進(jìn)而使得導(dǎo)彈無法繼續(xù)跟蹤目標(biāo)。例如，美國軍方已經(jīng)將基于量子級聯(lián)激光器的定向紅外對抗系統(tǒng)(DIRCM)應(yīng)用于軍用飛機(jī)上，以提高飛機(jī)在戰(zhàn)場上的生存能力。基于QCL的紅外對抗系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示[13]。隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，QCL在紅外對抗領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。一方面，QCL技術(shù)將朝著更高的功率和更小的體積發(fā)展，使其能夠更有效地對抗新型紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，例如，美國軍方正在研究利用激光束直接殺傷或擊毀導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的技術(shù)，做到“一擊致命”；另一方面，QCL將與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，如多光譜綜合告警系統(tǒng)，以提高對來襲導(dǎo)彈的探測能力和對抗效果。
圖5 QCL紅外對抗系統(tǒng)示意圖
3、生物醫(yī)療
QCL在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，尤其在呼吸系統(tǒng)疾病診斷、血糖無創(chuàng)檢測、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和藥物成分分析等方面表現(xiàn)突出。在眼科領(lǐng)域，QCL可以用于眼角膜作圖；此外，2020年日本的研究團(tuán)隊(duì)還成功應(yīng)用QCL于血糖無創(chuàng)檢測領(lǐng)域，基于構(gòu)建的中紅外光譜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了0.1%葡萄糖水溶液、人的嘴唇血糖的吸收光譜的監(jiān)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(biāo)志物的首選工具，為疾病的早期診斷提供更精準(zhǔn)的手段。例如，在無創(chuàng)血糖檢測方面，QCL技術(shù)的進(jìn)步將使檢測更加便捷和準(zhǔn)確，為糖尿病患者帶來福音。其次，QCL與其他前沿技術(shù)的融合將開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析，QCL可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜生物樣本的快速、準(zhǔn)確分析，從而推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。
圖6 紅外成像過程[2]
4、太赫茲通信
QCL在THz通信領(lǐng)域同樣具有非常廣闊的應(yīng)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(qiáng)度的需求，有利于拓展傳輸距離；其波長可調(diào)諧性優(yōu)勢為THz通信中的多頻段應(yīng)用提供了可能。基于上述特點(diǎn)，目前THz-QCL的實(shí)際應(yīng)用包括有光頻梳、高速數(shù)據(jù)傳輸、信號調(diào)制解調(diào)等，并且在未來，THz-QCL還將在衛(wèi)星通訊、深空探測等長距離通信領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用[15]。QCL技術(shù)的持續(xù)發(fā)展將推動(dòng)其在太赫茲通信中的應(yīng)用。QCL有望成為未來太赫茲通信的理想信號源，滿足高數(shù)據(jù)速率和長傳輸距離的需求。此外，QCL與其他技術(shù)的融合將拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)中心高速傳輸、熱點(diǎn)區(qū)域無線通信、全息通信和虛擬現(xiàn)實(shí)等，為未來通信技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)大支持。
圖7 太赫茲零差探測系統(tǒng)[16]。（a）太赫茲光路示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)裝置照片
5、空間通訊
2001年，貝爾實(shí)驗(yàn)室率先在高速Q(mào)CL方面開展了研究，并首次展示了響應(yīng)頻率達(dá)到10 GHz的QCL，隨著QCL技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其在自由空間光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景也逐漸受到通訊行業(yè)的廣泛關(guān)注[17]；2021年，法國巴黎電信公司的研究人員于開發(fā)出了一種基于QCL的光子混沌自由空間光通信系統(tǒng)，可成功實(shí)現(xiàn)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(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(wèi)星通信中，QCL的高效傳輸特性有助于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈路；在日常生活中，QCL也有望為寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入提供新的解決方案。
圖8 自由空間光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]
來源：光電期刊
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