量子级联激光器是一种半导体激光器，通常在中红外区域（约4μm至10μm）发光。与其他激光系统相比，它们在操作方式上有些不同，因为量子级联激光器并不依赖于发光介质中不同电子状态之间的转换，而是在多层半导体材料中产生电子的 "级联"，导致不同半导体层的光子发射。

量子级联激光器的输出光束通常具有非常窄的线宽和中心波长的出色可调性。导致最终发射线宽的基本过程很复杂，但自发发射过程的相对较长的寿命最终耦合到产生观察到的激光输出的激光模式。

量子级联激光器广泛的能量可调性一直是其在气体传感和作为红外成像系统发射源的许多应用中的一个驱动因素。量子级联激光器的设计具有许多堆叠的半导体材料层，这意味着可以改变层的厚度，以设计具有不同激光范围的系统，一些量子级联激光器还可以与可调谐的外部腔体耦合，以获得更大的波长调谐能力。

相关故事
量子光学简介
NTT：实现模块化量子光源，实现容错的大规模通用光量子计算机
新型蓝色量子点提供最先进的成像技术
大多数量子级联激光器的功率相对较低，典型的输出功率在毫瓦级。然而，现在有一些设备在使用低温冷却的情况下，输出功率超过5W。更高功率的激光器对于更敏感的传感应用是有利的，因为所有的探测器都有一个固有的噪声限制，所以更多的光子可以帮助补偿由于非常低的样品浓度而产生的弱吸收信号。

量子级联激光器现在是一项成熟的技术，有许多商业选择。许多激光系统可以是小型的、基于芯片的设备，这使得它们非常适合集成到机载应用中，如无人驾驶车辆的遥感。

应用
量子级联激光器最常见的应用之一是在传感设备中。其原因是大多数化学物种在中红外区域有 "指纹 "吸收光谱。这些光谱特征来自于分子中的旋转和振动，对分子中原子的身份以及它们的局部化学环境都很敏感。大量的光谱特征也有助于提高对物种定性鉴定的信心，如果过渡截面是已知的，那么特征的强度也可用于定量的化学分析。

近年来，石油和天然气行业对微型量子级联激光器为遥感应用提供的可能性特别感兴趣。天然气管道通常位于非常偏远和难以到达的地区，对泄漏进行人工目视检查或常规检查是非常昂贵的。

由于甲烷等气体的全球变暖潜力，这些气体的泄漏不仅是一个环境问题，而且还构成了爆炸风险，是对有限自然资源的浪费。使用可作为 "芯片上的实验室 "仪器的一部分的紧凑型激光系统进行传感，意味着整个仪器可以安装在无人驾驶的自动车辆上，可以以大幅降低的成本被送往偏远地区，并且不会对人类健康造成额外的风险。

外腔量子级联激光器在要求非常高的爆炸物检测应用中发现了越来越多的用途，在这些应用中潜在物种的浓度非常低。在大范围内扫描腔体和调整波长的能力也使得设计能够检测更多化学物种的传感器成为可能。

太赫兹
量子级联激光器的一些最大发展领域不是在其典型的中红外区域，而是在创造新的太赫兹源。使量子级联激光器在传感方面具有吸引力的许多特性使它们成为用于通信和计算等领域的量子技术的理想选择。

尽管对于光源和探测器来说，太赫兹辐射是一个具有挑战性的电磁波谱区域，但它的吸引力在于它在许多其他类型的电磁辐射无法穿透的介质中的透射性，以及非常好的化学敏感性。

能够创造具有非常高的发射功率的可调谐太赫兹源，这是量子级联激光器可能提供的东西，将为高分辨率的太赫兹光谱学开辟新的可能性。太赫兹辐射通常被认为是最不发达的频率范围之一，因此将其用于传感、材料分析和生物标志物检测的可能性在很大程度上仍未得到探索，但新的量子级联激光器可以改变这种情况。

量子级联激光器现在是大气和气体传感的常见技术，但随着新频率范围的开放和产生高功率的新可能性，它们也可能成为新型量子技术的一个基石。

参考阅读：

Yamanishi, M., Fellow, L., Edamura, T., Fujita, K., Akikusa, N., & Kan, H. (2008). Theory of the Intrinsic Linewidth of Quantum-Cascade Lasers : Hidden Reason for the Narrow Linewidth and Line-Broadening by Thermal Photons. IEEE Journal of Quantum Electronics, 44(1), 12–29. https://doi.org/ 10.1109/JQE.2007.907563

Wysocki, G., Curl, R. F., Tittel, F. K., Maulini, R., Bulliard, J. M., & Faist, J. (2005). Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade laser for high resolution spectroscopic applications. Applied Physics B: Lasers and Optics, 777, 769–777. https://doi.org/10.1007/s00340-005-1965-4

Wang, F., Slivken, S., Wu, D. H., Lu, Q. Y., & Razeghi, M. (2020). Continuous wave quantum cascade lasers with 5 . 6 W output power at room temperature and 41 % wall-plug efficiency in cryogenic operation Continuous wave quantum cascade lasers with 5 . 6 W output power at room temperature and 41 % wall-plug efficiency in. AIP Advances, 10, 055120. https://doi.org/10.1063/5.0003318

Asadzadeh, S., Jos, W., Oliveira, D., Roberto, C., & Filho, D. S. (2022). UAV-based remote sensing for the petroleum industry and environmental monitoring : State-of-the-art and perspectives. Journal of Petroleum Science and Engineering, 208, 109633. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.109633

Du, Z., Zhang, S., Li, J., & Gao, N. (2019). Mid-Infrared Tunable Laser-Based Broadband Fingerprint Absorption Spectroscopy for Trace Gas Sensing : A Review. Applied Sciences, 9, 338. https://doi.org/10.3390/app9020338

Narlagiri, L. M., Bharati, M. S. S., Beeram, R., Banerjee, D., & Soma, V. R. (2022). Trends in Analytical Chemistry Recent trends in laser-based standoff detection of hazardous molecules. Trends in Analytical Chemistry, 153, 116645. https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116645

Vitiello, M. S., & Natale, P. De. (2022). Terahertz Quantum Cascade Lasers as Enabling Quantum Technology. Advanced Quantum Technologies, 5, 210082. https://doi.org/10.1002/qute.202100082

作者：Rebecca Ingle, Ph.D