據(jù)麥姆斯咨詢報道，全球量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Lasers, QCL）市場2017~2022年期間的復(fù)合年增長率為3.9%，預(yù)計市場有望到2022年增長至3.748億美元。
作為最有發(fā)展前景的激光器之一，QCL激光器在短短的二十年，已經(jīng)實現(xiàn)了從液氮脈沖工作到室溫連續(xù)5 W輸出，成為國內(nèi)外科研和產(chǎn)業(yè)翹首以盼能夠產(chǎn)生實質(zhì)性進(jìn)展的熱門激光器之一。
什么是量子級聯(lián)激光器
量子級聯(lián)激光器的發(fā)明是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域中具有里程碑意義的發(fā)展,開創(chuàng)了中遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光的新領(lǐng)域。因為在中遠(yuǎn)紅外波段，能用的激光器太少，而它恰恰能夠工作于中紅外區(qū)域（2.75-25 µm），甚至太赫茲波段，而且波長可調(diào)。
雖為半導(dǎo)體激光器，但是它的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機制，其發(fā)光波長由半導(dǎo)體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并且可以輕松得通過改變量子阱層的厚度來改變發(fā)光波長。
量子級聯(lián)激光器能帶結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
它的級聯(lián)過程，即電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入到下一個過程再次發(fā)光。這個級聯(lián)過程使這些電子 “循環(huán)”起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。
量子級聯(lián)激光器能做什么
量子級聯(lián)激光器目前的主要用途是氣體檢測、紅外對抗和太赫茲通信，尤其是在中波紅外4-6 µm波段，基本達(dá)到了實用化程度。
1）氣體檢測
溫室效應(yīng)氣體CO2、CH4、N2O等，以及神經(jīng)毒氣、糜爛毒氣、爆炸物等氣體，與疾病診斷如哮喘、潰瘍、腎、肝、胸、肺、糖尿病、器官排異、精神分裂等有關(guān)的特征氣體，其基頻吸收譜線均落在2-14 µm波段內(nèi)，而這正是QCL激光器的作用波段，所以它可廣泛應(yīng)用于國家安全、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、太空探索等領(lǐng)域。
通常QCL都會被集成到光譜儀中，完成紅外光譜檢測。QCL被認(rèn)為是當(dāng)前中遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)進(jìn)行氣體檢測的優(yōu)勢光源。
2) 紅外對抗
定向紅外對抗，通俗來說就是防止飛機受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的威脅，是目前最有效的制導(dǎo)手段，一直備受世界各軍事大國的關(guān)注。QCL激光器鎖定目標(biāo)后發(fā)射低功率激光脈沖來干擾導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，使其失去方向，從而保障飛機的安全，適合配備在直升機、傾轉(zhuǎn)旋翼機和小型固定翼飛機上使用。
早期的定向紅外裝備中使用的是中波光參量振蕩激光器?，F(xiàn)在有些國家的軍隊已開始更新?lián)Q代，使用QCL激光器。例如美國陸軍投入約15億美元開展了“通用紅外對抗系統(tǒng)”（CIRCM）項目，全部采用更新?lián)Q代的QCL激光器。據(jù)悉美國陸軍定制了1076套系統(tǒng)，計劃2017年底正式裝備。
由此可見，QCL激光器將會成為紅外對抗系統(tǒng)中的主力。
CIRCM系統(tǒng)的激光發(fā)射器
當(dāng)前CH-47“支奴干”直升機上裝備的“高級威脅紅外對抗系統(tǒng)”ATIRCM，其對于陸軍的飛機而言體積過大，未來將被CIRCM取代
3）太赫茲（THz）通信
THz通信是未來THz領(lǐng)域的重要應(yīng)用，但因THz發(fā)射源及探測器的缺乏，導(dǎo)致THz技術(shù)起步較晚。目前THz源發(fā)射器的研究方向主要有THz-QCL、差頻發(fā)生器（DFG）、參量振蕩器（TPO）及其他THz源發(fā)生器。
其中，THz-QCL具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、適裝性好等優(yōu)點，是QCL的重要發(fā)展方向，將在通訊、成像和譜分析等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
QCL的產(chǎn)業(yè)市場
據(jù)麥姆斯咨詢報道，全球QCL市場預(yù)計將從2016年的3.029億美元增長至2022年的3.748億美元，2017-2022年期間的復(fù)合年增長率為3.9%。市場增長預(yù)計將來自氣體傳感及化合物探測應(yīng)用，以及醫(yī)療產(chǎn)業(yè)日益增長的非侵入式醫(yī)療診斷應(yīng)用。
對于QCL的非侵入式醫(yī)療應(yīng)用，中科院半導(dǎo)體研究所的劉峰奇研究員也表達(dá)了同樣的觀點。他認(rèn)為，QCL產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)最有望實現(xiàn)重大突破的應(yīng)用領(lǐng)域就是呼吸氣體醫(yī)療檢測應(yīng)用。對應(yīng)疾病的標(biāo)志性氣體在人體呼吸氣體的含量非常低（ppb級別），而QCL在高靈敏檢測方面具備天然的優(yōu)勢，有望成為呼吸氣體分析技術(shù)領(lǐng)域瓶頸的最佳解決方案。
在分析技術(shù)不斷完善的背景下，呼吸氣體檢測未來將有望成為一個與血檢與圖像學(xué)檢查相互補充與競爭的大醫(yī)療檢測產(chǎn)業(yè)。因此，隨著呼吸氣體檢測領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基于QCL的呼吸氣體檢測儀有望在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中實現(xiàn)重大突破。
2016年，QCL的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了最大的市場份額，其次是醫(yī)療領(lǐng)域。隨著自由空間通訊對QCL的潛在需求，預(yù)計通訊產(chǎn)業(yè)將獲得最高的增長速率。
北美地區(qū)作為QCL的主要應(yīng)用市場，2016年穩(wěn)居第一；亞太地區(qū)憑借中國和印度等工業(yè)發(fā)展中經(jīng)濟體的市場表現(xiàn)，將會有較高的增長速率。
從封裝和工藝上來說，C-Mount封裝QCL則憑借較低的成本優(yōu)勢，將占據(jù)最大的市場份額；隨著QCL在軍事與國防產(chǎn)業(yè)的需求增長，預(yù)計法布里-玻羅QCL將在2017-2022年內(nèi)以很高的復(fù)合年增長率保持增長。
QCL的國內(nèi)外發(fā)展情況
目前，國際上針對QCL的應(yīng)用比較多，國內(nèi)還非常少，主要原因可能是激光器價格較高，做成系統(tǒng)以后價格更高。QCL的材料結(jié)構(gòu)需要生長上千層，每層的厚度不到一個納米，生長難度很高。
國內(nèi)方面，中科院半導(dǎo)體研究所的劉峰奇研究員帶領(lǐng)的課題組能夠自主生產(chǎn)高性能QCL，已做到室溫連續(xù)1.2 W工作，波長4-10 µm，以及太赫茲波段都能覆蓋，在低功耗以及氣體探測用的DFB-QCL上，優(yōu)于國外研究組。在氣體檢測應(yīng)用方面，中科院半導(dǎo)體所已完成13CO2同位素呼吸氣體檢測儀研制，應(yīng)用于人體胃幽門螺旋桿菌檢測。
另外，國內(nèi)還有少數(shù)幾家公司是圍繞QCL進(jìn)行封裝及系統(tǒng)搭建用于氣體檢測和分析方面的。
國際上QCL的制造商主要集中在美國和歐洲，包括：
美國的Daylight Solution（國內(nèi)代理商：科藝儀器）、Block Engineering（國內(nèi)代理商：森泉科技）、Pranalytica（國內(nèi)代理商：上海會亞通信科技）、Wavelength Electronics（國內(nèi)代理商：北京波威科技）、AdTech Optics（國內(nèi)代理商：上海會亞通信科技）、Thorlabs、AKELA Laser，日本的濱松，瑞士的Alpes lasers（國內(nèi)代理商：環(huán)球科技），法國的mirSense（國內(nèi)代理商：上海昊量光電）以及德國Nano Plus（國內(nèi)代理商：唯銳科技）。
濱松的市場部Chelly說，“我們可以提供多種型號的DFB-QCL激光器，滿足用戶的不同需求，國內(nèi)用戶可以通過光電匯網(wǎng)站查詢。”事實上，除了濱松，上述代理商及其代理產(chǎn)品在光電匯網(wǎng)站皆可查詢。
由此可以看出，商業(yè)化進(jìn)展國外優(yōu)于國內(nèi)，而國內(nèi)仍集中在科研領(lǐng)域。
量子級聯(lián)激光器將憑借其優(yōu)勢明顯、用途廣泛等特點，將成為未來五年內(nèi)發(fā)展第二快速的激光器（增長速度第一的是直接半導(dǎo)體激光器）。
前途不可限量，值得業(yè)內(nèi)同仁持續(xù)關(guān)注。
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