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量子級聯激光技術
閱讀：39 發布時間：2025-8-13
量子級聯激光器 (Quantum Cascade Laser, QCL) 誕生于1994年的美國，是一種新型半導體激光器。傳統半導體激光器發光機制是導帶和價帶中的電子空穴對復合發光，而量子級聯激光器的工作原理是電子在半導體材料導帶的子帶間躍遷和聲子共振輔助隧穿從而產生光放大，其出射波長由導帶的子帶間的能量差所決定，和半導體材料的禁帶寬度無關，因此可以通過設計量子阱層的厚度來實現波長的控制。
量子級聯激光器是半導體激光理論革新的產物，它極大地擴展了半導體激光器激射范圍。在量子級聯激光器發明之前，傳統半導體激光器其發射波長主要在可見光和近紅外波段，而量子級聯激光器則將發光范圍拓展到了中遠紅外以及太赫茲波段，使其在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面得到了越來越多的應用。同時，量子級聯激光器還具有高單色性、高相干性、高方向性、高亮度、長壽命等優勢。
在氣體檢測方面，中遠紅外波段包含了兩個重要的大氣窗口：3-5μm和8-13μm波段。很多氣體的特征吸收峰都在這個波段，如 NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等。
基于量子級聯激光技術的氣體檢測系統相比于傳統的氣體檢測技術，有兩大優勢：
1. 量子級聯激光器具有很窄的光譜線寬，可以獲得氣體分子、原子光譜線中精細結構，因此基于量子級聯激光器的氣體檢測系統分辨率要遠高于其他光譜檢測方法，而且系統中不需要分光器件，可以通過調諧量子級聯激光器的波長，就可在光電探測器中直接得到其吸收光譜。
2. 量子級聯激光器的光束質量好，出射光的發散角小，可以利用光的反射來設計光學長程池從而增加系統的吸收光程，進而就可以提高系統的靈敏度，這對于低濃度的氣體檢測十分有效。