文/John Wallace

量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是人類智慧的證明，通過(guò)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(fù)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(zhǎng)由體材料組分決定）。不像普通的半導(dǎo)體激光器中在p-n結(jié)處激發(fā)電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生的單光子，QCL中的電子使得一個(gè)頻帶內(nèi)的量化子帶之間產(chǎn)生無(wú)數(shù)的子帶間躍遷，從而形成光子“級(jí)聯(lián)”。通過(guò)調(diào)節(jié)QCL中超晶格的屬性，就能調(diào)諧發(fā)射波長(zhǎng)。需要注意的是：帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）與QCL有些相似，它通過(guò)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(dāng)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?yàn)樗�遠(yuǎn)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(jiān)固。因此，對(duì)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(gè)市場(chǎng)，包括科學(xué)研究、生命科學(xué)、工業(yè)過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及國(guó)防和安全。”美國(guó)Daylight Solutions公司科學(xué)產(chǎn)品總監(jiān)Leigh Bromley說(shuō)，這促進(jìn)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(cè)與成像，到保護(hù)飛機(jī)免受導(dǎo)彈攻擊等，正促使市場(chǎng)對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(jìn)步的QCL芯片設(shè)計(jì)，單個(gè)QCL的調(diào)諧范圍在過(guò)去幾年中迅速增加。“今天，一些QCL通�？梢蕴峁┏�過(guò)500cm^-1、或者大于中心波長(zhǎng)30%的調(diào)諧范圍。”Bromley說(shuō)，“然而，許多應(yīng)用對(duì)更廣泛調(diào)諧范圍的持續(xù)渴求，已經(jīng)在推動(dòng)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(gè)密封激光頭中集成了多達(dá)四個(gè)可調(diào)諧QCL模塊。所有QCL光路的良好光機(jī)設(shè)計(jì)和共軸軸線校準(zhǔn)，確保了單個(gè)高度準(zhǔn)直的輸出光束（見(jiàn)圖1）。MIRcat可以提供脈沖和/或CW運(yùn)行；峰值或平均輸出功率高達(dá)約1W；相對(duì)強(qiáng)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(jìn)行IED探測(cè)研究的實(shí)驗(yàn)裝置中，Daylight Solutions公司的MIRcat QCL（右上）被用作激光源。^[1,2]

Bromley介紹說(shuō)，MIRcat QCL位于該公司紅外顯微鏡平臺(tái)的核心部分，該顯微鏡平臺(tái)結(jié)合了多QCL激光源和IR照相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)視頻速率離散頻率，以及進(jìn)行生物組織、聚合物和半導(dǎo)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(cè)。

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

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(bào)警裝置”開(kāi)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(zhǎng)下運(yùn)行。該范圍內(nèi)的調(diào)諧能在小于40ms的時(shí)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(dá)3MHz，脈寬3~300ns。

QCL可以與外部探測(cè)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(píng)估的實(shí)驗(yàn)室工具，或者可以與采樣和氣體或液體流動(dòng)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(guò)在衍射極限尺寸下對(duì)目標(biāo)成像而實(shí)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(dú)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和耐用性，也可用于其他形式的實(shí)驗(yàn)中。除了密封和準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室外殼。

最新版本包含一個(gè)溫度能達(dá)到-30℃的珀?duì)柼�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(gè)溫度傳感器（須對(duì)封裝采用外部空氣冷卻或水冷，移除珀?duì)柼�冷卻器的熱量）。Alpes公司還生產(chǎn)價(jià)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(guó)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(zhǎng)，設(shè)計(jì)用于氣體傳感、精密計(jì)量和光譜學(xué)應(yīng)用，能夠精確探測(cè)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(guó)AdTech Optics公司生產(chǎn)分布反饋（DFB）式基座上芯片QCL，波長(zhǎng)非可調(diào)諧，常備波長(zhǎng)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(jì)和制造其他波長(zhǎng)。AdTech公司的QCL所能提供的波長(zhǎng)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(gè)窗口用于傳輸QCL發(fā)射的未準(zhǔn)直光）的QCL所提供的波長(zhǎng)相似。

美國(guó)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(dòng)器和溫度控制。由于QCL沒(méi)有內(nèi)置監(jiān)控光電二極管，它們必須在恒電流模式下運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室QCL應(yīng)該與合適的電流源配套使用，并且需要配備實(shí)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(dòng)器和溫度控制器。美國(guó)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(dòng)器、溫度控制設(shè)備和其他配件。在一個(gè)案例中，該公司生產(chǎn)不同形式的QCL2000 2A QCL驅(qū)動(dòng)器，包括帶有顯示器和旋鈕的實(shí)驗(yàn)室儀器版本，以及帶有散熱片的小得多的密封盒（見(jiàn)圖3）。兩種版本都可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和監(jiān)視。

圖3：Wavelength Electronics公司生產(chǎn)的QCL2000 2A QCL驅(qū)動(dòng)器，可提供實(shí)驗(yàn)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(xué)、工業(yè)和國(guó)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(shuō)，Spero設(shè)計(jì)用于測(cè)量高清紅外成像和光譜數(shù)據(jù)，用于識(shí)別和定量分析分子、化合物的化學(xué)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(zhǎng)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(huà)幅、室溫微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)。”Bromley說(shuō)，“使用這些相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻速率離散頻率成像。同樣地，可以通過(guò)以分立波長(zhǎng)步長(zhǎng)調(diào)諧MIRcat，迅速構(gòu)建高光譜數(shù)據(jù)立方體，并在每個(gè)波長(zhǎng)記錄中紅外圖像。實(shí)時(shí)成像的能力，以及根據(jù)中紅外光譜響應(yīng)（化學(xué)成分）解析圖像內(nèi)容，正將圖像分析吞吐量和對(duì)紅外顯微的化學(xué)特異性帶到新水平，并為如組織病理學(xué)和癌癥診斷之類的領(lǐng)域帶來(lái)新的、改變游戲規(guī)則的能力。”

Block Engineering公司的LaserWarn開(kāi)放路徑氣體傳感系統(tǒng)，采用人眼安全、的不可見(jiàn)光QCL，創(chuàng)造了針對(duì)有威脅的氣態(tài)化學(xué)物的“觸發(fā)式報(bào)警裝置”，Kotidis說(shuō)。該傳感系統(tǒng)的覆蓋距離長(zhǎng)達(dá)2~3km，當(dāng)在保護(hù)區(qū)域內(nèi)任何地方，有危險(xiǎn)化學(xué)品穿越“觸發(fā)式報(bào)警裝置”時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)報(bào)警。

“該系統(tǒng)提供目前可達(dá)到的最敏感化學(xué)探測(cè)能力，并且能以24/7的連續(xù)模式在室內(nèi)或室外工作，無(wú)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(jìn)行更好的過(guò)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(hù)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(xué)攻擊。”

Kotidis補(bǔ)充說(shuō)，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(tái)激光器探測(cè)大量化學(xué)品的能力；QCL橫跨中紅外波段的亞秒級(jí)掃描，提供實(shí)時(shí)探測(cè)；能夠無(wú)耗材工作，這是在偏遠(yuǎn)地區(qū)持續(xù)運(yùn)行所必不可少的要求。

展望未來(lái)

量子級(jí)聯(lián)激光器有著光明的未來(lái)，這種未來(lái)的景象之一正在美國(guó)Pendar Technologies公司呈現(xiàn)，該公司已開(kāi)發(fā)了包含許多不同波長(zhǎng)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(xué)分析和安全事業(yè)部副總裁Mark Witinski說(shuō)， “目前的前沿包括擴(kuò)展波長(zhǎng)覆蓋，以適應(yīng)IR的更寬部分；便于堅(jiān)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(qiáng)大以恰當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)電光效率相當(dāng)?shù)偷?/span>QCL。

Pendar Technologies公司目前正在開(kāi)發(fā)一款單電子調(diào)諧QCL陣列，覆蓋從6.7~11μm的整個(gè)長(zhǎng)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(cè)平臺(tái)。”

參考文獻(xiàn)

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).