激光器的发展里程碑如下：1960年发明的固态激光器和气体激光器，1962年发明的双极型半导体激光器和1994年发明的单极型量子级联激光器（QCL）是激光领域的三个重大革命性里程碑。

# 量子级联激光器的特点

量子级联激光理论的创立和量子级联激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。一般而言，量子级联激光器系统包括量子级联激光模块，控制模块以及接口模块。量子级联激光器从结构上来说，可以分为分布反馈（Distributed Feedback）QCL，F-P（Fabry-Perot）QCL 和外腔（External Cavity）QCL。量子级联激光器由于其独特的设计原理使其具有如下的独特优势：

3：很高的输出功率，同时也可以工作在室温环境下。

目前国际上已研制出3.6～19μm 中远红外量子级联激光器系统。随着技术的进步，目前量子级联激光器不但能以脉冲的方式工作，而且可以在连续工作的方式输出大功率激光。激光模块将QC 激光器装进一个气密性封装内，最大限度的保护了激光器的性能和寿命。

量子级联激光器的分类：

QCL激光器的基本结构包括FP-QCL（上图）、DFB-QCL（中图）和ECqcL（下图）。增益介质显示为灰色，波长 选择机制为蓝色，镀膜面为橙色，输出光束为红色。

1.最简单的结构是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P结构中，切割面为激光提供反馈，有时也使用介质膜以优化输出。

# 滨松QCL激光器的特点：

滨松QCL激光器波长在4um-10um之间。

滨松QCL激光器的结构特点

单极型：只通过一种载流子进行能级跃迁从而发射出固定波长的光，通过调整各阱的宽度和间隔进行n3到n2能级调整，从而调整对应激光出射波长，n2到n1出射一个光学声子，n1与下一个周期的n3对齐，所出射的光学声子辅助隧穿过微带，微带形成的布拉格反射层有阻断光在其传播的特点。

DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。布拉格光栅（Bragg Grating）是用来滤除杂光、压窄激光线宽的器件。激光线宽是激光器输出纵模的宽度，计算公式为:

df=（c/λ²）×dλ

DFB激光器的线宽普遍在1MHz以内。

滨松QCL激光器的性能特点

1.出射激光功率稳定精确，无模跳（频率单一，单纵模），室温工作。

2.窄线宽可以达到<0.01nm 的分辨率，远大于普通滤波片的带宽20nm。可以清晰的分辨出被测气体的吸收峰和被测量。

滨松QCL激光器分类（8个可调谐波段QCL标准品）

DFB-CW QCL：TEC、AirCooling、WaterCooling、ZnSe球面镜聚焦。出射光平均功率在20mW

DFB-Pulse QCL：同样的配置。出射光峰值功率在50mW。

可调谐波长为10nm-20nm，调谐方式有两种：1.改变驱动电流：电流增大，波长增加 2.改变温度：改变光栅温度从而改变折射率，温度升高，波长增大。

滨松QCL激光器优势

发光效率高，在常温下25℃就可以发光。对手产品需要制冷至-20℃才可以发光。

滨松QCL激光器结构

金属层（散热）、光栅收光层（改变折射率）、发光有源层。有源区由34层70nm厚度结构的InGaAs/InAlAs组成，共厚约3μm。

滨松QCL激光器应用

可分为环境方面和工业方面

环境方面：空气污染物，全球变暖，土壤化肥等。针对全球变暖温室气体，如CO2可以达到390ppm级别、CH4可以达到1800ppb级别、N2O可以达到320ppb级别。其中从成本考虑主要为SO₂探测。

工业方面：火电厂检测、天然气精炼、汽车引擎评测等。QCL的优势在于可以分辨出不同元素的同位素吸收谱，这样可以更好的分析出源头在什么地方。

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）诞生于1994年的美国，是基于半导体耦合量子阱子带（一般为导带）间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。波长范围可覆盖中红外至远红外，输出功率从mW至W量级。具有高单色性、高相干性、高方向性、高亮度、长寿命等特点。目前被看做是中红外气体分子检测的理想发光器件。与传统的P-N结型激光器发光机理不同，QCL的受激辐射仅仅依靠电子就可以使有源区内多个量子阱能级发生粒子数反转，从而达到电子与光子的单输入-多输出关系，而且激射波长是由量子阱层的厚度决定的。利用QCL作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段，也在一定程度上提高了探测极限。

滨松的激光技术衍生自与日本大阪大学合作的激光核聚变研究，目前拥有多种类的半导体、固体激光器及其相关产品。QCL就是其中一员，可提供CW（连续性）QCL器件及模块，近年还推出了波长可调谐的EC-QCL模块、低成本蝶形封装QCL、QCL一体化功能模块等新品。

图1. 滨松QCL产品基本信息

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）

TDLAS能实现"原位、连续、实时测量"，环境适应力强，易于设备的小型化。因此可以挣脱实验室的束缚，在产业应用中大展拳脚。比如大气环境在线监测、发动机效率检测、汽车尾气测量、工业过程气体实时监测等等。

TDLAS利用半导体激光器的波长调谐特性，可获得被选定的待测气体特征吸收峰的吸收光谱，从而对气体定性或者定量的分析。每种气体分子的吸收峰受其他气体吸收干扰很小，所以也称之为"分子的指纹峰" TDLAS技术简单来说就是这些气体"分子指纹"的识别系统，具有很强的选择性。此外，TDLAS的检测灵敏度也是较高的，不过检出限能达到怎样的量级，就和所用光源有着很大的关系。

常见的污染气体的"指纹峰"主要集中在4 μm-10 μm，基本是中红外的天下，所以，作为中红外激光光源的QCL，则可展现性能优势。再加之高输出功率，检出限可达到ppb，甚至ppt级别。这比传统的近红外光源所能达到的水平，整整高出了3~6个量级。

图2. 滨松QCL器件对应的气体分子测量应用

TDLAS是QCL绝佳的应用之处，目前也有研究者将使用QCL的TDLAS方法，直接称之为"QCLAS"。图3为QCLAS的检测原理：信号发生器产生调制信号（低频扫描锯齿波和高频调制正弦波）同时加载至激光器上，经调制的激光被气体吸收后由红外探测器探测，然后锁相放大器解调出各阶次谐波信号,根据二次谐波信号与气体浓度成正比的关系实现气体浓度的测量。

图3. QCLAS检测原理图

TDLAS 采用 QCL 作为光源检测痕量气体的突出优点总结：

光声光谱（PAS）

光声光谱是一种间接吸收光谱技术，作为直接吸收光谱技术的一种有效补充,它探测的是受激分子的非辐射弛豫通道。

用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。

图4. 光声光谱原理示意图

光声光谱无需探测器，对探测波长也没有选择性，可用于所有波段。这种方法对噪声有良好抑制功能，不仅探测灵敏度高而且实验装置相对简单。通过结合波长调制光谱、傅里叶变换等方法，还可以实现更高的探测灵敏度。

而它的信号主要是个激发光功率成正比。早在1999年，斯坦福大学的Paldus等就已经将光声光谱技术与QCL结合对NH3进行检测，采用DFB-QCL，检测限达到了1×10^-7。2014年美国莱斯大学F. K. Tittel等人利用7.24 μm的DFB-QCL基于石英增强光声光谱技术（QEPAS）探测SO₂实现了63 ppb的检出限。

光腔衰荡光谱（CRDS）

光腔衰荡光谱（CRDS，也称腔振铃吸收光谱）是一种非常灵敏的光谱学方法。它可用来探测样品的绝对光学消光，包括光的散射和吸收，被广泛应用于探测气态样品在特定波长的吸收。一台典型的光腔衰荡光谱装置如图5。包含了一个用于照亮高精细度光学谐振腔的激光光源，和构成谐振腔的两面高反射率反射镜。当激光和谐振腔的模式共振时，腔内光强会因相长干涉迅速增强。之后激光被迅速切断，以探测从腔中逸出光强的指数衰减。在衰减中，光在反射镜间被来回反射了成千上万次，由此带来了几到几十公里的有效吸收光程。如果吸光物质被放置在谐振腔内，则腔内光子的平均寿命会因被吸收而减少。光强衰荡光谱测量的是光强衰减为之前强度的 1/e 所需要的时间，这个时间被称为"衰荡时间"以此来计算腔内吸光物质的浓度。

图5. 光腔衰荡光谱装置示意图

一般来讲，痕量气体检测时，光源强度变化、样本量浓度低会导致测量效果的下降。但从CRDS的原理，也不难看出，它不会受到样本浓度与激光光强波动的影响， 从而有效提高了信噪比。另外，高反射率腔镜（>99%）的使用，使得有效吸收程长大大增加，提高了探测灵敏度（可达10-10量级）。CRDS探测灵敏度高，但对于激光入射角度和模式匹配有着严格要求，且测量装置相对庞大。QCL产品也可应用在此类方法之中。