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量子級聯激光器（QCL）是一種基于量子阱中子帶間電子躍遷的半導體激光器，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行量子裁剪即可調節激光輸出波長。QCL結構包含多層量子阱，每層量子阱都包括注入區和有源區，由于量子隧穿效應，電子躍遷過程中會從一個周期的注入區隧穿到下一個周期的有源區，然后高能級的電子到達低能級，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的發展除了體現在工作溫度適應性上，還包括波長/波段的細分和擴展。材料技術和工藝的進步推動了QCL的發展，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在很多領域中的應用也越來越廣泛，其面臨的不斷提高的技術指標要求也牽引著QCL技術的進步。

據麥姆斯咨詢報道，近期，空軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐天津地區第三軍事代表室鄧凱等人在《光電技術應用》期刊上發表了以“量子級聯激光器及其應用的研究進展”為主題的綜述論文。文章回顧了QCL的發展歷史，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的研究進展，介紹了QCL在物質成分探測、自由空間光通信、定向紅外對抗等領域的應用研究情況，歸納了QCL技術的發展趨勢。

目前國內外的很多研究機構在QCL的研究上投入了大量的資源，推動了QCL技術的長足發展。從激光發射譜的角度，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的發展最為迅速，有力地推動了QCL的商業化。在MIR-QCL的研究方面，國內外研究機構近年來取得了豐碩的研究成果，其中國外機構中以美國西北大學為領頭羊，，俄羅斯的約飛研究所等機構的研究進展也較快；國內機構中，中科院半導體研究所在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，導致其實用化程度更低一些。在LWIR-QCL的研究上，國外和國內處于領先地位的是美國西北大學和中國科學院半導體研究所，俄羅斯約飛研究所等機構處于第二梯隊。

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器件上實現的頻率范圍大致為0.8~5.6THz。相對于其他的太赫茲源產生方式，QCL的優勢在于體積更小、能耗更低、可調諧等。與中、長波紅外QCL一樣，工作溫度和輸出功率是評估QCL光電性能的主要標準。在THz-QCL的研究上，美國西北大學和日本濱松公司的技術水平相對較高，此外意大利等國家的科研機構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材料和器件技術的發展，國內外研究機構針對QCL在物質成分探測、環境科學、醫學領域、自由空間光通信、定向紅外對抗等領域的應用上進行了大量的研究，在部分細分領域已經實現了QCL的實用化。

西北大學中紅外自由空間光通信系統示意圖

QCL技術應用方向與發展趨勢表

QCL是紅外激光領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，在物質探測、自由空間光通信和定向紅外對抗等軍、民領域具有廣闊的應用前景，但QCL還需要繼續在單管輸出功率等方向繼續提升。通過對該技術和應用的梳理，歸納其技術發展趨勢，為相關領域的研究人員提供參考。