作為半導(dǎo)體激光技術(shù)發(fā)展的里程碑，量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）使中遠(yuǎn)紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)成為可能，為氣體分析等中紅外應(yīng)用提供了新型光源，因此QCL日益受到關(guān)注。
尤其是近10年，越來(lái)越多的科研人員開始研究QCL在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用，使得它的優(yōu)勢(shì)和潛力被更多的認(rèn)識(shí)和挖掘。
中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）
眾所周知，QCL屬于新一代半導(dǎo)體激光器，它的特性不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器。用中科院半導(dǎo)體所劉峰奇研究員的“兩層含義”解釋，應(yīng)該更加形象。
首先是量子含義，是指激光器由納米級(jí)厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)超薄層構(gòu)成，利用量子限制效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)每層材料的厚度和子帶間距，從而調(diào)節(jié)波長(zhǎng)；其次是級(jí)聯(lián)含義，它的有源區(qū)由多級(jí)耦合量子阱串接組成，可實(shí)現(xiàn)單電子注入的倍增光子輸出，可望獲得大功率，而普通的半導(dǎo)體激光器是利用電子空穴對(duì)的復(fù)合發(fā)射光子，這是普通激光器不具備的一個(gè)性能。
量子級(jí)聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
由于QCL是集量子工程和先進(jìn)的分子束外延技術(shù)于一體，技術(shù)含量很高，是國(guó)家納米及量子器件核心技術(shù)的真正體現(xiàn)，這方面的技術(shù)突破將激活我國(guó)的民用市場(chǎng)。它在空間通信、遠(yuǎn)距離探測(cè)、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙氣分析、化學(xué)過(guò)程監(jiān)測(cè)、分子光譜研究、無(wú)損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很急迫的應(yīng)用前景。
QCL在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀
自從1994 年第一臺(tái)QCL發(fā)明以后，國(guó)際上各大研究機(jī)構(gòu)開始了該項(xiàng)目的研究，其中具有代表性的包括美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)哈佛大學(xué)( FedericoCapasso 小組) 、美國(guó)西北大學(xué)( Manijeh Razeghi 小組) 、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院( Jerome Faist 小組) 。
當(dāng)QCL的研究發(fā)展到了一定階段，有了實(shí)際的應(yīng)用空間，便開始了商業(yè)化的進(jìn)程，目前主要的商業(yè)公司包括Alpes Lasers、Daylight Solutions、Pranalytica等。其中，Alpes Lasers占據(jù)全球85%的QCL市場(chǎng)份額。
而Daylight Solutions和Pranalytica公司主要研究大功率、連續(xù)工作模式、高工作溫度的中紅外QCL的核心技術(shù)，獲得了世界上唯一輸出功率為2 W 的商用中紅外QCL，并且將此核心技術(shù)運(yùn)用到外腔寬調(diào)諧QCL中，近年來(lái)不斷獲得美國(guó)軍方和美國(guó)國(guó)防部的資金支持。
我國(guó)中遠(yuǎn)紅外QCL的研究工作幾乎和國(guó)際同步，開始于1995 年，主要的研究小組是中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)和信息研究所張永剛、李愛(ài)珍課題組以及中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的劉峰奇、王占國(guó)課題組。后中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)和信息研究所于1998 年報(bào)道了國(guó)內(nèi)第一個(gè)QCL，并與2004 年報(bào)道了我國(guó)第一個(gè)中紅外分布反饋QCL。
但是現(xiàn)在在芯片和整機(jī)方面工作較為突出的，是中科院半導(dǎo)體所劉峰奇課題組，已能夠自主生產(chǎn)高性能QCL，做到室溫連續(xù)1.2 W工作，波長(zhǎng)4-10 μm，以及太赫茲波段都能覆蓋，在低功耗以及氣體探測(cè)用的DFB-QCL上，優(yōu)于國(guó)外研究組。
此外山西大學(xué)、吉林大學(xué)、重慶大學(xué)、中科院光電技術(shù)研究所、華北光電技術(shù)研究院等的20多個(gè)課題組都對(duì)QCL進(jìn)行了研究或研制器件。
而國(guó)內(nèi)QCL商品實(shí)用化方面，暫時(shí)無(wú)一家生產(chǎn)商能夠完成從芯片到封裝、再到整機(jī)的全部自主研發(fā)設(shè)計(jì)，芯片全部由國(guó)外進(jìn)口，但是不乏一些封裝集成供應(yīng)商，例如海爾欣光電，可以提供從QCL光源、MCT探測(cè)器等模塊組件，再到激光氣體分析系統(tǒng)的全套解決方案。
QCL氣體檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)應(yīng)用
QCL從問(wèn)世到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，很多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在氣體分析、醫(yī)學(xué)、軍事等方面，但主要是在國(guó)外。
QCL應(yīng)用在紅外對(duì)抗、無(wú)創(chuàng)診斷、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)中
近10年，隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，大氣環(huán)境污染事故不斷增加，威脅著人類健康、破壞生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重制約著生態(tài)平衡以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展。國(guó)家對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也是采取“零容忍”的態(tài)度，問(wèn)題的根源就在于排放至空氣中的NOx，SOx，NH3，VOC，O3等污染氣體含量的異常變化。
氨氣分子近紅外（藍(lán)色）與中紅外（紅色）光譜強(qiáng)度對(duì)比
很多分子在中遠(yuǎn)紅外都有特征吸收譜帶，且屬于分子的最強(qiáng)基本振轉(zhuǎn)譜線(Fundamental ro-vibrational transitions)，用QCL對(duì)這種分子的“指紋”譜掃描解析，就可以對(duì)這種氣體進(jìn)行高精度定量分析。
2.9 μm-16.7 μm中遠(yuǎn)紅外波段的常見(jiàn)分子指紋光譜
目前，實(shí)現(xiàn)高精度氣體分析技術(shù)有許多技術(shù)路線，基于近紅外激光器的吸收光譜是與中遠(yuǎn)紅外QCL吸收光譜較為接近的一種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。據(jù)海爾欣光電董事長(zhǎng)王胤博士介紹，QCL在氣體檢測(cè)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：首先中遠(yuǎn)紅外的分子檢測(cè)靈敏度比近紅外更高；其次，在相對(duì)寬的中紅外光譜范圍內(nèi)，分子譜線的重疊更少，交叉干擾更小；而造成大氣環(huán)境污染的重要分子NOx和SOx，只有在中遠(yuǎn)紅外有足夠強(qiáng)，且易于解析的光譜線，因此QCL將會(huì)是開發(fā)下一代高精度、高可靠的煙氣排放監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)選光源?！肮I(yè)排放、過(guò)程監(jiān)測(cè)一定會(huì)是引領(lǐng)QCL應(yīng)用市場(chǎng)的重要需求之一?！?
目前，海爾欣光電已經(jīng)開發(fā)基于中紅外QCL的氨氮一體分析儀，用于鍋爐脫硝過(guò)程優(yōu)化控制，NH3和NO兩種分子濃度同時(shí)分析，精度均可達(dá)0.01ppm，相比于近紅外激光、非分散紅外或是化學(xué)熒光技術(shù)，QCL分析儀便攜，精度高，無(wú)需冷凝除水或稀釋采樣，極大地減少了專業(yè)人員獲得脫硝工藝數(shù)據(jù)的工作量。
國(guó)內(nèi)中科院安徽光機(jī)所、天津大學(xué)、香港中文大學(xué)、山西大學(xué)等也已開展了QCL在氣體檢測(cè)方向的應(yīng)用研究。
應(yīng)用進(jìn)行中的阻力
雖然QCL的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已被科研人員和用戶逐漸認(rèn)識(shí)到，但是大量應(yīng)用尚未興起，減緩了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。究其原因，不論是芯片、器件或系統(tǒng)，價(jià)格昂貴是其不容忽視的一個(gè)問(wèn)題。
香港中文大學(xué)任偉教授說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)還無(wú)一完全自主研發(fā)的企業(yè)，且科研還處于初步階段。核心芯片的自主產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)法自主生產(chǎn)，國(guó)外進(jìn)口QCL的成本太高限制了大范圍的應(yīng)用。但是令人可喜的是，不論科研和企業(yè)界都在努力推動(dòng)它的發(fā)展。國(guó)內(nèi)基于QCL氣體傳感已經(jīng)有很多產(chǎn)品，比如大氣污染監(jiān)測(cè)，目前安徽光機(jī)所高曉明、闞瑞峰課題組都在做該方面的應(yīng)用產(chǎn)品。
中科院半導(dǎo)體所助研翟慎強(qiáng)博士認(rèn)為，QCL的芯片全部進(jìn)口，很大一部分提高了QCL激光器的價(jià)格。而當(dāng)國(guó)內(nèi)有少量應(yīng)用需求時(shí)，通常只是訂購(gòu)一兩臺(tái)，但是工藝制作通常是批量完成，這就無(wú)形中將批量生產(chǎn)的價(jià)格轉(zhuǎn)嫁在出售的某一兩臺(tái)的器件上，致使做成的QCL系統(tǒng)更加昂貴。在用戶使用QCL并不迫切的情況下，很難優(yōu)先考慮使用這種新技術(shù)。
安徽光機(jī)所副研究員談圖博士也持相同意見(jiàn)。他認(rèn)為單從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，QCL技術(shù)作為氣體檢測(cè)優(yōu)勢(shì)不言而喻，但是從發(fā)展時(shí)間來(lái)說(shuō)，相比其他半導(dǎo)體激光器的發(fā)展尚短，整體可靠性不高，又因?yàn)閮r(jià)格較高，所以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用一直未見(jiàn)突飛猛進(jìn)。
展望
QCL的發(fā)展在大氣檢測(cè)等民用方面有著廣闊的應(yīng)用前景，但是產(chǎn)業(yè)化要想獲得進(jìn)一步發(fā)展，還需科研、產(chǎn)業(yè)和用戶的共同努力。相信隨著技術(shù)的推進(jìn)以及價(jià)格的進(jìn)一步降低，不遠(yuǎn)的將來(lái)，該技術(shù)會(huì)被越來(lái)越多的科研和工業(yè)用戶所信賴。
參考文獻(xiàn)：
1.“光行天下”微信號(hào)：量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理、特點(diǎn)及其分類
2.科技日?qǐng)?bào)：利用量子級(jí)聯(lián)激光器快速排查有害氣體
3.量子級(jí)聯(lián)激光器的原理及研究進(jìn)展. 宋淑芳，邢偉榮，劉銘.[J] 激光與紅外，2013，9(43)：972-976
4.基于量子級(jí)聯(lián)激光器的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用. 溫志渝，王玲芳，陳剛.[J]光譜學(xué)與光譜分析，2010,8(30)：2043-2048
5.量子級(jí)聯(lián)激光器：從中紅外到太赫茲. 光學(xué)與光電技術(shù).劉峰奇[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2017，5(15)：1-5
電話：