量子級聯(lián)激光器（QCL）是一種基于量子阱中子帶間電子躍遷的半導(dǎo)體激光器，光子能量取決于量子阱的厚度而非材料基本帶隙的寬度，因此對材料層厚度進(jìn)行量子裁剪即可調(diào)節(jié)激光輸出波長。QCL結(jié)構(gòu)包含多層量子阱，每層量子阱都包括注入?yún)^(qū)和有源區(qū)，由于量子隧穿效應(yīng)，電子躍遷過程中會從一個周期的注入?yún)^(qū)隧穿到下一個周期的有源區(qū)，然后高能級的電子到達(dá)低能級，同時釋放出光子。在整個過程中只有電子參與，所以QCL具有單極性，輸出激光是單向偏振的。

QCL的發(fā)展除了體現(xiàn)在工作溫度適應(yīng)性上，還包括波長/波段的細(xì)分和擴展。材料技術(shù)和工藝的進(jìn)步推動了QCL的發(fā)展，隨著器件在室溫下運行的輸出功率越來越高、單頻特性越來越好、輸出波長不斷拓展，QCL在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛，其面臨的不斷提高的技術(shù)指標(biāo)要求也牽引著QCL技術(shù)的進(jìn)步。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，空軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐天津地區(qū)第三軍事代表室鄧凱等人在《光電技術(shù)應(yīng)用》期刊上發(fā)表了以“量子級聯(lián)激光器及其應(yīng)用的研究進(jìn)展”為主題的綜述論文。文章回顧了QCL的發(fā)展歷史，以中紅外、長波紅外和太赫茲等典型波段的QCL為例描述了材料和器件技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了QCL在物質(zhì)成分探測、自由空間光通信、定向紅外對抗等領(lǐng)域的應(yīng)用研究情況，歸納了QCL技術(shù)的發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)外的很多研究機構(gòu)在QCL的研究上投入了大量的資源，推動了QCL技術(shù)的長足發(fā)展。從激光發(fā)射譜的角度，QCL可分為中紅外波段、長波紅外波段和太赫茲波段。

世界上第一只QCL即工作在中紅外波段，近年來MIR-QCL的發(fā)展最為迅速，有力地推動了QCL的商業(yè)化。在MIR-QCL的研究方面，國內(nèi)外研究機構(gòu)近年來取得了豐碩的研究成果，其中國外機構(gòu)中以美國西北大學(xué)為領(lǐng)頭羊，，俄羅斯的約飛研究所等機構(gòu)的研究進(jìn)展也較快；國內(nèi)機構(gòu)中，中科院半導(dǎo)體研究所在MIR-QCL的研究上成果豐碩。

LWIR-QCL的輸出波長在7μm以上、太赫茲波段以下，與MIR-QCL相比，LWIR-QCL的插頭效率和輸出功率更低，導(dǎo)致其實用化程度更低一些。在LWIR-QCL的研究上，國外和國內(nèi)處于領(lǐng)先地位的是美國西北大學(xué)和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，俄羅斯約飛研究所等機構(gòu)處于第二梯隊。

太赫茲波段一般指頻率為100GHz到10THz、波長在3mm到30μm的電磁波，目前已在THz-QCL器件上實現(xiàn)的頻率范圍大致為0.8~5.6THz。相對于其他的太赫茲源產(chǎn)生方式，QCL的優(yōu)勢在于體積更小、能耗更低、可調(diào)諧等。與中、長波紅外QCL一樣，工作溫度和輸出功率是評估QCL光電性能的主要標(biāo)準(zhǔn)。在THz-QCL的研究上，美國西北大學(xué)和日本濱松公司的技術(shù)水平相對較高，此外意大利等國家的科研機構(gòu)也取得了很多研究成果。

日本濱松公司非線性太赫茲QCL的分布式

隨著QCL材料和器件技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究機構(gòu)針對QCL在物質(zhì)成分探測、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、自由空間光通信、定向紅外對抗等領(lǐng)域的應(yīng)用上進(jìn)行了大量的研究，在部分細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了QCL的實用化。

西北大學(xué)中紅外自由空間光通信系統(tǒng)示意圖

QCL技術(shù)應(yīng)用方向與發(fā)展趨勢表

QCL是紅外激光領(lǐng)域中的一個重要的研究方向，因其可在中紅外波段、長波紅外波段和太赫茲波段工作的特性，在物質(zhì)探測、自由空間光通信和定向紅外對抗等軍、民領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但QCL還需要繼續(xù)在單管輸出功率等方向繼續(xù)提升。通過對該技術(shù)和應(yīng)用的梳理，歸納其技術(shù)發(fā)展趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。