在科技飞速发展的当下，光子技术作为现代科技的重要支柱之一，正以惊人的速度改变着我们的生活和世界。从早期的光纤通信技术，为全球信息传递搭建起高速桥梁；到激光技术在工业制造、医疗诊断、科研探索等众多领域的广泛应用；再到如今蓬勃发展的光电子学、量子光学等前沿领域，光科技始终处于科技创新的前沿阵地，不断推动着人类社会的进步与发展。在光科技的浩瀚星空中，量子级联激光器(quantum cascade laser, QCL)正以其独特的魅力和强大的性能，引领着未来光科技的发展方向。随着人类对光的探索不断深入，对于光源的要求也越来越高，不仅需要更高的功率、更宽的波长范围，还需要更好的调谐性能和更小的体积，然而，基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如氮化镓、铟镓氮等)的激光器，其发光波长通常不超过4 μm，在此情况下，具有窄带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料成为了用于制备更长波长半导体激光器的首要选项。尽管在半导体光电子领域，人类已经取得了一系列的进展，但在窄带隙半导体材料的制备技术方面仍存在较大的瓶颈，因此，高性能、窄带隙半导体激光器的制造仍旧是学术界和产业界的攻关难题。在此情况下，QCL吸引了研究者们的广泛关注^[1]。

QCL是发明于90年代的半导体激光器，其发明对激光领域的发展产生了深远影响，因此被视为激光领域的一次革命和里程碑^[2,3]：Faist等^[4]在1994年首次报道了量子级联激光器的发明，这标志着QCL技术的诞生，这一突破性的成果展示了QCL在中红外波段的潜力，为后续的研究和应用奠定了基础；进入21世纪，QCL技术取得了显著进展，2002年，Evans等^[5]发表了关于高温、高功率连续波量子级联激光器的研究，这展示了QCL在高温下的稳定性和高功率输出能力；Carras等^[6]报告了室温连续波金属光栅分布反馈量子级联激光器的开发，拓展了QCL的应用范围 ；2024年，德国慕尼黑工业大学的研究团队还通过改进材料生长工艺，显著提高了激光器的电光转换效率^[1]。国际各国对于QCL也表现出了非常高的关注度，例如：美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了多项与量子级联激光器相关的研究项目，旨在开发高性能的用于军事通信、红外对抗等领域的中红外和太赫兹激光源；此外，欧洲的“地平线2020”计划也资助了多个量子级联激光器的研发项目，重点支持其在环境监测、医疗诊断等民用领域的应用^[7]。

量子级联激光器的原理及结构

QCL具有如下显著特点：1)发光波段覆盖从中红外至太赫兹波段的超宽光谱范围，因此在中红外波段的高精度检测、太赫兹波段的高分辨率成像等前沿应用方面具有广阔前景；2) QCL具备极佳的波长可调谐性，通过对其内部结构中的量子阱宽度等参数进行调控，就可以对发光波长进行调谐，该特性非常有利于探测应用的发展；3) QCL具有很高的输出功率，能够在无需复杂制冷系统的辅助下应用于长距离光通信、高精度加工等场景。QCL的能带结构及工作原理示意图如图1所示。

图1 (a) 级联量子阱中光子辅助量子隧穿实现光放大；(b) QCL的有源区在偏压下的导带结构示意图^[8]

QCL的三种基本结构如图2所示，包括F-P (Fabry-Perot) QCL，分布反馈DF (distributed feedback) QCL和外腔EC (external cavity) QCL。法布里-珀罗腔(FP) QCL作为最基础的构造，其激光反馈源于切割端面，此外FP-QCL偶尔也会利用介质膜来提升输出效果；DFB-QCL即分布式反馈量子级联激光器，它是一种特殊的半导体激光器，专门用于中红外波段，波长通常在4.33~7.67 μm之间，在芯片上刻蚀分布式反馈光栅后(光栅能够控制特定波长的光输出)，实现单模或窄线宽的激光输出，与FP-QCL相比，DFB-QCL的输出光谱较窄，但输出功率较低，此外，DFB-QCL还具备一定的波长调谐能力，可以通过改变工作电流和操作温度在一定范围内调整输出波长；通过将QCL芯片和外腔相结合，还可以构成EC QCL结构，该芯片结构不仅能够提供窄光谱输出，还可以在QCL芯片的整个增益带宽上(数百cm^-1)提供速度超过10 ms的高速调谐^[9]。

图2 中红外光纤输出量子级联激光器结构示意图^[10]

量子级联激光器的前沿应用

量子级联激光器的“神奇”之处不仅在于其卓越的技术性能，更在于它为多个领域带来了前所未有的变革。QCL作为中红外至太赫兹波段的主流光源，具有超宽光谱范围、极佳的波长可调谐性和高输出功率等优势，因此在气体检测、医疗诊断、自由空间通信、定向红外对抗等前沿领域存在广泛的应用。

图3 QCL主要应用方向

1、气体检测

中远红外波段包含了3~5 μm和8~13 μm波段两个重要的大气窗口，以及糖尿病、哮喘、胸、肺、精神疾病等部分人体疾病的特征气体的吸收谱线。如图4所示，与气相色谱分析、红外LED等传统气体检测技术相比，基于QCL的系统在气体检测方面具有高分辨率、光束质量高等优势，在实际应用中，基于QCL的检测系统还常被用于检测大气中的温室气体，例如：香港中文大学任伟教授、上海科技大学王成教授联合团队提出的一种无需相位控制的光反馈压窄QCL线宽的方法，在降低传统腔衰荡光谱系统复杂度的同时，可以大幅提高测量信噪比，为中红外痕量气体探测提供了新思路^[11]。随着气体检测精度需求的持续攀升，QCL在该领域的应用潜力正不断拓展。可预见的未来，QCL技术将朝着更高的灵敏度和更低的检测限发展，有望实现对痕量气体的超灵敏检测。例如，通过发展基于量子精密测量的高精度痕量气体检测技术，QCL能够满足未来对气体检测精度的更高要求，在医疗领域用于检测人体呼出的特定气体，实现疾病的早期诊断。

图4 基于QCL的N₂O气体传感器系统^[12]

2、红外对抗

QCL在红外对抗中有着重要的应用，主要体现在：QCL发射的高功率红外激光能够使导弹导引头的光电探测器过载，导致其饱和或损坏，进而使得导弹无法继续跟踪目标。例如，美国军方已经将基于量子级联激光器的定向红外对抗系统(DIRCM)应用于军用飞机上，以提高飞机在战场上的生存能力。基于QCL的红外对抗系统架构如图5所示^[13]。随着军事技术的不断发展，QCL在红外对抗领域的应用前景广阔。一方面，QCL技术将朝着更高的功率和更小的体积发展，使其能够更有效地对抗新型红外制导导弹，例如，美国军方正在研究利用激光束直接杀伤或击毁导弹导引头的技术，做到“一击致命”；另一方面，QCL将与其他先进技术相结合，如多光谱综合告警系统，以提高对来袭导弹的探测能力和对抗效果。

图5 QCL红外对抗系统示意图

3、生物医疗

QCL在医疗领域的应用广泛，尤其在呼吸系统疾病诊断、血糖无创检测、蛋白质结构分析和药物成分分析等方面表现突出。在眼科领域，QCL可以用于眼角膜作图；此外，2020年日本的研究团队还成功应用QCL于血糖无创检测领域，基于构建的中红外光谱系统，实现了0.1%葡萄糖水溶液、人的嘴唇血糖的吸收光谱的监测和分析^[14]。随着检测灵敏度的提升和检测限的降低，QCL有望成为检测生物标志物的首选工具，为疾病的早期诊断提供更精准的手段。例如，在无创血糖检测方面，QCL技术的进步将使检测更加便捷和准确，为糖尿病患者带来福音。其次，QCL与其他前沿技术的融合将开辟新的应用领域。结合人工智能和大数据分析，QCL可以实现对复杂生物样本的快速、准确分析，从而推动个性化医疗的发展。

图6 红外成像过程^[2]

4、太赫兹通信

QCL在THz通信领域同样具有非常广阔的应用前景：其高功率、高效率特性满足了THz通信过程中对信号源强度的需求，有利于拓展传输距离；其波长可调谐性优势为THz通信中的多频段应用提供了可能。基于上述特点，目前THz-QCL的实际应用包括有光频梳、高速数据传输、信号调制解调等，并且在未来，THz-QCL还将在卫星通讯、深空探测等长距离通信领域获得更加广泛的应用^[15]。QCL技术的持续发展将推动其在太赫兹通信中的应用。QCL有望成为未来太赫兹通信的理想信号源，满足高数据速率和长传输距离的需求。此外，QCL与其他技术的融合将拓展其应用领域，如数据中心高速传输、热点区域无线通信、全息通信和虚拟现实等，为未来通信技术发展提供强大支持。

图7 太赫兹零差探测系统^[16]。（a）太赫兹光路示意图；（b）实验装置照片

5、空间通讯

2001年，贝尔实验室率先在高速QCL方面开展了研究，并首次展示了响应频率达到10 GHz的QCL，随着QCL技术的持续发展，其在自由空间光通信领域的应用前景也逐渐受到通讯行业的广泛关注^[17]；2021年，法国巴黎电信公司的研究人员于开发出了一种基于QCL的光子混沌自由空间光通信系统，可成功实现0.5 Mbit/s的消息加密传输速率^[18]。基于QCL的自由空间光通信系统在多个领域具有广阔的应用前景：在军事通信中，QCL的高安全性和抗干扰能力使其成为理想的选择；在卫星通信中，QCL的高效传输特性有助于实现高速数据链路；在日常生活中，QCL也有望为宽带互联网接入提供新的解决方案。

图8 自由空间光通信实验系统^[2]

来源：光电期刊