文/John Wallace

量子級聯(lián)激光器（QCL）是人類智慧的證明，通過一種創(chuàng)新的方式將物質(zhì)結(jié)構(gòu)化（包含數(shù)百層重復順序材料的超晶格，形成一系列多量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)），從而克服了看似不可改變的材料屬性（激光波長由體材料組分決定）。不像普通的半導體激光器中在p-n結(jié)處激發(fā)電子與空穴復合產(chǎn)生的單光子，QCL中的電子使得一個頻帶內(nèi)的量化子帶之間產(chǎn)生無數(shù)的子帶間躍遷，從而形成光子“級聯(lián)”。通過調(diào)節(jié)QCL中超晶格的屬性，就能調(diào)諧發(fā)射波長。需要注意的是：帶間級聯(lián)激光器（ICL）與QCL有些相似，它通過帶間躍遷而不是子帶間躍遷產(chǎn)生光子，ICL本身也很有趣，但本文不做討論。

QCL是當今最常用的中紅外（mid-IR）激光器之一（也是太赫茲輻射領(lǐng)域的潛力光源），因為它遠比像光參量振蕩器（OPO）和光參量放大器（OPA）這些中紅外光源更緊湊、更堅固。因此，對于那些在IR分子“指紋”光譜區(qū)使用的光譜儀器，以及表1中列出的許多其他應(yīng)用而言，QCL是最為合適的光源。如果需要的話，這類儀器可以做成小型、電池供電且耐用的儀器，可在野外使用。

表1：中紅外應(yīng)用案例和需要的激光源

“中紅外應(yīng)用跨越多個市場，包括科學研究、生命科學、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測，以及國防和安全。”美國Daylight Solutions公司科學產(chǎn)品總監(jiān)Leigh Bromley說，這促進了QCL和基于QCL的儀器的產(chǎn)生。“中紅外應(yīng)用多樣化的本質(zhì)，包括從敏感分子的探測與成像，到保護飛機免受導彈攻擊等，正促使市場對各種中紅外激光系統(tǒng)的需求。”

范圍與靈活性

Bromley指出，QCL的靈活性使得它們非常適用于多種用途。QCL的靈活性包括中心波長從小于4μm到大于12μm，能夠適應(yīng)脈沖或連續(xù)波（CW）操作，可獲得超過500cm^-1范圍調(diào)諧的寬增益帶寬芯片，以及功率可以放大至數(shù)瓦。

歸功于不斷進步的QCL芯片設(shè)計，單個QCL的調(diào)諧范圍在過去幾年中迅速增加。“今天，一些QCL通�？梢蕴峁┏�過500cm^-1、或者大于中心波長30%的調(diào)諧范圍。”Bromley說，“然而，許多應(yīng)用對更廣泛調(diào)諧范圍的持續(xù)渴求，已經(jīng)在推動多QCL激光架構(gòu)的發(fā)展。”

他指出，Daylight Solutions公司的MIRcat就采用了多QCL架構(gòu)，其在一個密封激光頭中集成了多達四個可調(diào)諧QCL模塊。所有QCL光路的良好光機設(shè)計和共軸軸線校準，確保了單個高度準直的輸出光束（見圖1）。MIRcat可以提供脈沖和/或CW運行；峰值或平均輸出功率高達約1W；相對強度噪聲（RIN）低至-145dBc/Hz；中紅外調(diào)諧范圍至>900cm^-1（或者>6000nm）。

圖1：用于進行IED探測研究的實驗裝置中，Daylight Solutions公司的MIRcat QCL（右上）被用作激光源。^[1,2]

Bromley介紹說，MIRcat QCL位于該公司紅外顯微鏡平臺的核心部分，該顯微鏡平臺結(jié)合了多QCL激光源和IR照相機，可以實現(xiàn)視頻速率離散頻率，以及進行生物組織、聚合物和半導體材料的高光譜中紅外成像，結(jié)合了用于高刷新率快速掃描激光引擎的分子傳​​感器，以及多品種分子探測。

美國Block Engineering公司生產(chǎn)緊湊、密封封裝的脈沖外腔QCL（見圖2），用作該公司儀器內(nèi)的“引擎”，其中包括開放路徑氣體傳感系統(tǒng)LaserWarn Detector，用于保護重要設(shè)施免受化學品的侵蝕或防止有毒物品泄漏，Block Engineering公司CEO Petro Kotidis說。

圖2：（a）LaserTune是Block Engineering生產(chǎn)的一款封裝好的QCL，它是該公司的LaserWarn“觸發(fā)式報警裝置”開放路徑氣體傳感系統(tǒng)（b）的光源。

Kotidis稱，LaserTune QCL可以在掃頻模式或在5.4~12.8μm范圍內(nèi)任意選定的波長下運行。該范圍內(nèi)的調(diào)諧能在小于40ms的時間內(nèi)完成，光譜分辨率約1~2cm^-1。該系統(tǒng)具有優(yōu)于1mrad的光束指向穩(wěn)定性，脈沖頻率高達3MHz，脈寬3~300ns。

QCL可以與外部探測器（同樣由Block公司生產(chǎn)）組合，以創(chuàng)建用于IR分析和光譜評估的實驗室工具，或者可以與采樣和氣體或液體流動池集成，用于加工、工業(yè)和環(huán)境應(yīng)用。Kotidis列出的LaserTune的主要應(yīng)用包括：紅外顯微（其中，微型樣品的分析是通過在衍射極限尺寸下對目標成像而實現(xiàn)的）、光纖耦合和原子力顯微，這利用的是發(fā)射器的寬光譜覆蓋范圍和快速光譜掃描能力。

單獨的QCL激光器

QCL既可以如上文所述以模塊形式提供，用于在野外應(yīng)用中實現(xiàn)長壽命和耐用性，也可用于其他形式的實驗中。除了密封和準直的QCL模塊外，QCL還能以其他形式提供，如瑞士Alpes Lasers公司提供的裸芯片QCL（未焊接、未連接）、板載芯片（焊接在基座上），以及可更換激光器的實驗室外殼。

最新版本包含一個溫度能達到-30℃的珀爾帖冷卻器，鍍有抗反射硒化鋅窗口，在3.5~12μm之間具有高透射率，用于各種脈沖或CW QCL板載芯片；此外還包含一個溫度傳感器（須對封裝采用外部空氣冷卻或水冷，移除珀爾帖冷卻器的熱量）。Alpes公司還生產(chǎn)價格低廉的脈沖QCL，其采用尺寸僅為38.8mm×25.4mm×20.5mm的TO-3 can封裝形式。

英國Stratium公司生產(chǎn)的Bruar，是一款安裝在基板上的脈沖QCL芯片，峰值功率50mW，能夠發(fā)射2.8μm、3.3μm和10.0μm的幾種波長，設(shè)計用于氣體傳感、精密計量和光譜學應(yīng)用，能夠精確探測甲烷（CH₄）、氯化氫（HCL）、甲醛（CH₂O）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、一氧化氮（NO）以及其他痕量氣體。

美國AdTech Optics公司生產(chǎn)分布反饋（DFB）式基座上芯片QCL，波長非可調(diào)諧，常備波長有4.34μm、4.54μm、4.58μm、4.72μm、5.26μm、6.23μm、7.83μm、9.47μm或10.26μm，也能夠根據(jù)要求​​定制設(shè)計和制造其他波長。AdTech公司的QCL所能提供的波長范圍，與密閉封裝或TO-3 can封裝以及VHL封裝（小外殼，頂部有個窗口用于傳輸QCL發(fā)射的未準直光）的QCL所提供的波長相似。

美國Thorlabs公司生產(chǎn)法布里-珀羅腔QCL和DFB QCL。，法布里-珀羅腔QCL具有適用于醫(yī)療成像、照明和顯微應(yīng)用的寬帶輸出；DFB QCL具有更窄的輸出波段，并且還能在窄頻率范圍內(nèi)調(diào)諧。采用金屬C-mount封裝的產(chǎn)品，只有6.4mm×4.3mm×7.9mm這種尺寸，激光器與C-mount電氣隔離。這些QCL在使用上非常靈活，如果客戶需要，Thorlabs公司也提供安裝座、驅(qū)動器和溫度控制。由于QCL沒有內(nèi)置監(jiān)控光電二極管，它們必須在恒電流模式下運行。

內(nèi)置到模塊中適用于野外應(yīng)用的QCL，通常能夠抵御一定的惡劣環(huán)境，但是在實驗室中使用的QCL，必須妥善處理以免造成損壞。Thorlabs建議避免靜電電擊和焊接煙霧，以及塵埃和其他微粒，實驗室QCL應(yīng)該與合適的電流源配套使用，并且需要配備實現(xiàn)溫度管理功能的硬件。注意還要避免摔碰激光器。

許多QCL制造商為QCL提供自產(chǎn)的激光驅(qū)動器和溫度控制器。美國Wavelength Electronics公司是該領(lǐng)域的專家，提供用于包括QCL在內(nèi)的一系列激光器的驅(qū)動器、溫度控制設(shè)備和其他配件。在一個案例中，該公司生產(chǎn)不同形式的QCL2000 2A QCL驅(qū)動器，包括帶有顯示器和旋鈕的實驗室儀器版本，以及帶有散熱片的小得多的密封盒（見圖3）。兩種版本都可以與計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)自動控制和監(jiān)視。

圖3：Wavelength Electronics公司生產(chǎn)的QCL2000 2A QCL驅(qū)動器，可提供實驗室版本（a）和用于集成到系統(tǒng)中的小型密封盒版本（b）。

基于QCL的即用系統(tǒng)

正如前面提到的，一些QCL公司將自產(chǎn)的QCL集成到光譜儀和其他儀器中，用于科學、工業(yè)和國防應(yīng)用。例如，上文介紹的Daylight Solutions公司的MIRcat QCL，其脈沖版本已被集成到該公司的Spero成像顯微鏡中。Bromley介紹說，Spero設(shè)計用于測量高清紅外成像和光譜數(shù)據(jù)，用于識別和定量分析分子、化合物的化學成分和包含不同成分的樣品。

“有別于基于FTIR（傅立葉變換紅外）的顯微鏡系統(tǒng)采用的低亮度非相干熱源需要冗長掃描以建立光譜和圖像，MIRcat激光器的高輸出功率和亮度，允許使用大畫幅、室溫微測輻射熱計相機。”Bromley說，“使用這些相機能夠?qū)崿F(xiàn)視頻速率離散頻率成像。同樣地，可以通過以分立波長步長調(diào)諧MIRcat，迅速構(gòu)建高光譜數(shù)據(jù)立方體，并在每個波長記錄中紅外圖像。實時成像的能力，以及根據(jù)中紅外光譜響應(yīng)（化學成分）解析圖像內(nèi)容，正將圖像分析吞吐量和對紅外顯微的化學特異性帶到新水平，并為如組織病理學和癌癥診斷之類的領(lǐng)域帶來新的、改變游戲規(guī)則的能力。”

Block Engineering公司的LaserWarn開放路徑氣體傳感系統(tǒng)，采用人眼安全、的不可見光QCL，創(chuàng)造了針對有威脅的氣態(tài)化學物的“觸發(fā)式報警裝置”，Kotidis說。該傳感系統(tǒng)的覆蓋距離長達2~3km，當在保護區(qū)域內(nèi)任何地方，有危險化學品穿越“觸發(fā)式報警裝置”時，系統(tǒng)便會在不到一秒鐘的時間內(nèi)報警。

“該系統(tǒng)提供目前可達到的最敏感化學探測能力，并且能以24/7的連續(xù)模式在室內(nèi)或室外工作，無需耗材。”Kotidis解釋道，“這款產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用案例包括：監(jiān)控工廠排放以便進行更好的過程控制，減少環(huán)境污染，并符合環(huán)境排放要求。政府和安全應(yīng)用的例子包括：保護交通樞紐、使館、政府設(shè)施和前線作戰(zhàn)軍事基地免授化學攻擊。”

Kotidis補充說，使這種應(yīng)用成為可能的QCL性能包括：超寬可調(diào)諧性，這確保了利用少數(shù)幾臺激光器探測大量化學品的能力；QCL橫跨中紅外波段的亞秒級掃描，提供實時探測；能夠無耗材工作，這是在偏遠地區(qū)持續(xù)運行所必不可少的要求。

展望未來

量子級聯(lián)激光器有著光明的未來，這種未來的景象之一正在美國Pendar Technologies公司呈現(xiàn)，該公司已開發(fā)了包含許多不同波長QCL的單芯片。

“QCL陣列繼續(xù)發(fā)展，作為集成到最現(xiàn)代和最緊湊傳感器中的潛在改變游戲規(guī)則的解決方案，” Pendar公司化學分析和安全事業(yè)部副總裁Mark Witinski說， “目前的前沿包括擴展波長覆蓋，以適應(yīng)IR的更寬部分；便于堅固集成的整體化和小型化光束合束技術(shù)​​；以及定制電子元件，足夠緊湊用于新儀器，但也足夠強大以恰當?shù)仳?qū)動電光效率相當?shù)偷?/span>QCL。

Pendar Technologies公司目前正在開發(fā)一款單電子調(diào)諧QCL陣列，覆蓋從6.7~11μm的整個長波紅外區(qū)。一旦完成，它將支撐該公司將于2017年推出的天然氣和凝聚相便攜式檢測平臺。”

參考文獻

1. C. A. Kendziora et al., "Broadband infrared imaging spectroscopy for standoff detection of trace explosives," Proc. SPIE, 9836, 98362G (May 25, 2016); doi:10.1117/12.2224049.

2. R. Furstenberg et al., Appl. Phys. Lett., 93, 224103 (2008).