量子級聯激光器是最有發展的激光器嗎？

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量子級聯激光器（quantum cascade laser）最有發展前途的話我不敢說，但是最有發展前途的激光器之一是肯定得。1994年第一次實現低溫激射，美國西北大學前兩年的數據是，室溫連續單管5W的輸出功率，短短二十年，QCL實現了從液氮脈衝工作到室溫連續5W，可見其發展是很快的。量子級聯激光器最大的優勢是波長可調，從3微米左右到24微米，到更長的太赫茲（100微米以上）都有文獻報道過。

量子級聯激光器目前主要的用途是氣體檢測和紅外對抗。氣體檢測領域主要優勢是探測精度高，體積小，便攜性強；很可能會在同位素檢測領域革命性發展。紅外對抗美國有著15億美元的大項目的投入。

再說下國內國際的情況吧：

國內來說，目前只有中科院半導體所的劉峰奇組能做，其材料生長比較好，目前能夠做到室溫連續1.2W工作，波長4-10微米，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，優於國外研究組。BTW，以前上海技物所也做，後來做不下去了。

國際來說，QCL主要是在美國發展的比較多，西北大學Rezighi組，哈佛的Capasso是創始人之一，此外還有康寧，威斯康辛等。歐洲有蘇黎世理工的Faist，作為量子級聯激光器的創始人之一，善於結構設計，目前大多數好的結構多來自於Faist。

目前國際上的應用其實已經比較多，國內還非常的少，主要原因可能是激光器價格較高，做成系統以後價格更高。究其原因主要是QCL的材料結構需要生長上千層，每層的厚度不到一個納米，生長的難度很高，國內國外能做的地方還是太少。

先寫這麼多！

量子級聯在中紅外和太赫茲波段的確很有前途。這裡的量子級聯一般只帶內級聯，除此之外也有帶間級聯。這種方式都在產生長波時有優勢，但對於近紅外，可見和紫外就不能應用了。因此還是要看場合。

因為光譜課上做過這方面的調研，所以貼上來，希望能對題主有幫助~

德國馬克思普朗克研究所的 Fischer 教授課題組、普林斯頓大學健康與環境紅外技術應用中心的 Zondlo 教授研究組、荷蘭內梅亨大學分子與激光物理系，分子與材料研究所的 Harren 教授及其帶領的課題組等眾多國外研究小組均已設計出基於QCL的一氧化碳檢測系統，而國內這方面的研究則相對欠缺。

依據光源的光譜特性可分為兩類，一類是寬譜帶的紅外非相干光源(Infrared non-coherent light source)；另一類是窄線寬的紅外相干光源(Infrared coherent light source)，如圖所示：

QCL是基於能帶躍遷理論的單極光源，目前技術已較為成熟，能夠在室溫條件下以連續波形式工作，其波長能夠覆蓋2.75μm-25μm的整個中紅外區。而新近發展起來的ICL與QCL的發光機制類似，都採用能帶工程理論來優化自身結構並重複利用注入的電子來產生多個光子，它們的區別在於光子產生的機制(帶間躍遷而非子帶間躍遷)，這使得ICL需要較低的輸入功率(&<100mW)。當前，ICL在常溫下連續波工作時的波長範圍可達2.9μm-5.7μm，而這一波段正是QCL需要完善的。

與傳統的P-N結型激光器的發光機理不同，QCL的受激輻射僅僅依靠電子就可以使有源區內多個量子阱能級發生粒子數反轉，從而達到電子與光子的單輸入-多輸出關係，而且激射波長是由量子阱層的厚度決定的。

量子級聯激光器的典型二階能級圖如圖所示，其中，導帶傾斜是由外界電場造成的。

從圖中可知，每一階能級都由注入區(injector)和有源區(activeregion)共同構成。有源區包含三個量子態：1態、2態和3態。由3態和2態能量差定義的激光躍遷是由這兩個量子態勢阱厚度的選擇決定的。激光輸出需要3態和2態之間的粒子數反轉，這個過程要求3態的壽命比2態長。為了達到這個目的，1態要比2態低一個光聲子的能量，這樣才能確保2態的電子通過發射一個光聲子快速擴散到1態。由於諧振特性，這個過程速度非常快，可以用弛豫時間定義，約為0.1–0.2ps。因為3態與2態之間的更大的能量差，3態中的電子反而具有較長的壽命，所以電子-光子擴散過程是非諧振的。

有源區3態中的電子發生受激輻射躍遷到2態，此過程產生一個單光子，與此同時，2態釋放一個光聲子，發生共振並快速弛豫到1態，在光聲子協助下,電子隧穿注入區的微帶並注入到下一階有源區的3態上。如此往複，達到單電子注入N個光子輸出的目的(N為級聯的階數)，從而產生級聯激光。此外，為了產生激光，必須抑制不必要的電子逃逸通道，而且要注意2態和1態表面狀態簇的稠密情況，另外，當偏置電壓超過某個值時，要確保電子注入較高能態的高選擇性。

當前，QCL、ICL等新型紅外光源已逐漸取代紅外熱光源、紅外發光二極體等傳統光源，成為紅外光源中的主導力量。QCL是當前中遠紅外範圍內進行氣體檢測的優勢光源，它具有室溫工作、高功率、窄線寬以及能夠工作於中紅外區域(2.75–25μm)等特點。QCL具有波長調諧範圍寬，體積小，重量輕，結構更加緊湊，不需要低溫製冷等突出優點。同時，QCL的激射光譜範圍能夠對兩個大氣透窗口進行覆蓋，故與其他類型的光源相比存在很大優勢~

以上~

激光器是一門應用技術. 由於生產成本高昂, 市場小, 其單價在幾萬人民幣以上.

InP 基的QCL在技術上已經非常成熟, 在材料的可靠性, 能量效率, 輸出功率, 光譜質量, 光譜調諧等方面都滿足潛在的應用需求.

目前的主要應用在於氣體檢測, 目前的主要客戶是研究單位或者環保部門.

中國能夠自主生產高性能QCL的是中國科學院半導體所的劉峰奇課題組: 中國科學院半導體研究所其科研和工藝水平處於世界領先, 正在積極拓展產品應用和銷售.

無錫沃浦光電感測科技有限公司: 國家千人計劃專家劉惠春曾在此公司申請專利: 帶有熱電製冷器的量子級聯激光器的封裝

唯銳科技公司代理銷售德國 nano plus 公司生產的 ICL 和 QCL: 產品中心 Archive - 唯銳科技

科藝儀器公司代理銷售美國 daylight solution 公司出品的 QCL: 中紅外半導體激光器-中紅外激光器-DAYLIGHT-產品品牌-科藝儀器 Aamp;amp;amp;P Instrument

值得一提的是, 該公司在中國獨家代理銷售美國velodyne 公司的激光雷達, 目前旗艦產品PUCK? (VLP-16) 售價8000美元. 採用 903 nm波長激光器, 16 通道sensor, 功耗 8W, 探測範圍100 m, 精度 3 cm. 這是無人駕駛汽車的核心部件, 路況3D 建模的信息採集全靠它了.

http://velodynelidar.com/docs/datasheet/63-9229_Rev-F_Puck%20_Spec%20Sheet_Web.pdf

2016.8.16, Velodyne公司發布公告稱，旗下激光雷達公司Velodyne LiDAR獲得百度與福特公司1.5億美元的共同投資，三方將圍繞無人駕駛領域展開全方位合作。在我看來, 這才是最有發展前景的激光器(的應用). 問題在於, 目前技術發展的趨勢是垂直整合. 沒有人會買一個從實驗室工藝間新鮮出爐的東西. 激光雷達的難點不只在於激光器, 更在於旋轉, 探測, 信號輸出. 然後進入軟體部分的計算機視覺, 3D 建模, 結合可見光照相機, 微波雷達, 3D 內置地圖和 GPS 信號等等, 做出駕駛動作的判斷.

在太赫茲波段有應用但太赫茲波段本身的應用就不是很廣所以感覺前景不是很大

量子級聯激光器目前看來一個有希望的應用前景是紅外吸收光譜的探測，作為光源進行痕量分析測試，估計聚光科技都有成熟的產品出來了，這個也是採用QCL量子級聯激光器做出的。緊湊型痕量氣體檢測儀-F-lab孚光實驗網

個人很看好量子級聯激光器，畢竟在中紅外波段，能用的激光器是在太少。傳統的OPA實在是太大了，又很嬌氣，不利於做民用商業儀器啊。

中紅外波段在成像和感測方面的應用還是有一些不可取代的優勢的，只不過現在整個波段的技術發展都不成熟，加之很多技術都是涉及軍事用途，壟斷的比較厲害，導致發展較為緩慢吧。如果低成本做出性能比較好的QCL，我想市場還是很大的