量子級聯激光器，它的「前景」和「錢景」有多大？

07-04

據麥姆斯諮詢報道，全球量子級聯激光器（Quantum Cascade Lasers, QCL）市場2017~2022年期間的複合年增長率為3.9%，預計市場有望到2022年增長至3.748億美元。

作為最有發展前景的激光器之一，QCL激光器在短短的二十年，已經實現了從液氮脈衝工作到室溫連續5 W輸出，成為國內外科研和產業翹首以盼能夠產生實質性進展的熱門激光器之一。

什麼是量子級聯激光器

量子級聯激光器的發明是半導體激光器領域中具有里程碑意義的發展,開創了中遠紅外半導體激光的新領域。因為在中遠紅外波段，能用的激光器太少，而它恰恰能夠工作於中紅外區域（2.75-25 μm），甚至太赫茲波段，而且波長可調。

雖為半導體激光器，但是它的工作原理與通常的半導體激光器截然不同。它打破了傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴複合受激輻射機制，其發光波長由半導體能隙來決定。QCL受激輻射過程只有電子參與，其激射方案是利用在半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態之間產生粒子數反轉，從而實現單電子注入的多光子輸出，並且可以輕鬆得通過改變數子阱層的厚度來改變發光波長。

量子級聯激光器能帶結構和工作原理示意圖

它的級聯過程，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光。這個級聯過程使這些電子「循環」起來，從而造就了一種令人驚嘆的激光器。

量子級聯激光器能做什麼

量子級聯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4-6μm波段，基本達到了實用化程度。

1）氣體檢測

溫室效應氣體CO2、CH4、N2O等，以及神經毒氣、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、精神分裂等有關的特徵氣體，其基頻吸收譜線均落在2-14 μm波段內，而這正是QCL激光器的作用波段，所以它可廣泛應用於國家安全、環境監測、工農業生產、醫療診斷、太空探索等領域。

通常QCL都會被集成到光譜儀中，完成紅外光譜檢測。QCL被認為是當前中遠紅外範圍內進行氣體檢測的優勢光源。

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製導導彈的威脅，是目前最有效的制導手段，一直備受世界各軍事大國的關注。QCL激光器鎖定目標後發射低功率激光脈衝來干擾導彈的制導系統，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。現在有些國家的軍隊已開始更新換代，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」（CIRCM）項目，全部採用更新換代的QCL激光器。據悉美國陸軍定製了1076套系統，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中的主力。

CIRCM系統的激光發射器

當前CH-47「支奴干」直升機上裝備的「高級威脅紅外對抗系統」ATIRCM，其對於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領域的重要應用，但因THz發射源及探測器的缺乏，導致THz技術起步較晚。目前THz源發射器的研究方向主要有THz-QCL、差頻發生器（DFG）、參量振蕩器（TPO）及其他THz源發生器。

其中，THz-QCL具有電光轉換效率高、體積小、重量輕、適裝性好等優點，是QCL的重要發展方向，將在通訊、成像和譜分析等技術領域獲得廣泛的應用。

QCL的產業市場

據麥姆斯諮詢報道，全球QCL市場預計將從2016年的3.029億美元增長至2022年的3.748億美元，2017-2022年期間的複合年增長率為3.9%。市場增長預計將來自氣體感測及化合物探測應用，以及醫療產業日益增長的非侵入式醫療診斷應用。

對於QCL的非侵入式醫療應用，中科院半導體研究所的劉峰奇研究員也表達了同樣的觀點。他認為，QCL產業化推進最有望實現重大突破的應用領域就是呼吸氣體醫療檢測應用。對應疾病的標誌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勢，有望成為呼吸氣體分析技術領域瓶頸的最佳解決方案。

在分析技術不斷完善的背景下，呼吸氣體檢測未來將有望成為一個與血檢與圖像學檢查相互補充與競爭的大醫療檢測產業。因此，隨著呼吸氣體檢測領域的不斷發展，基於QCL的呼吸氣體檢測儀有望在產業化推進中實現重大突破。

2016年，QCL的工業應用領域佔據了最大的市場份額，其次是醫療領域。隨著自由空間通訊對QCL的潛在需求，預計通訊產業將獲得最高的增長速率。

北美地區作為QCL的主要應用市場，2016年穩居第一；亞太地區憑藉中國和印度等工業發展中經濟體的市場表現，將會有較高的增長速率。

從封裝和工藝上來說，C-Mount封裝QCL則憑藉較低的成本優勢，將佔據最大的市場份額；隨著QCL在軍事與國防產業的需求增長，預計法布里-玻羅QCL將在2017-2022年內以很高的複合年增長率保持增長。

QCL的國內外發展情況

目前，國際上針對QCL的應用比較多，國內還非常少，主要原因可能是激光器價格較高，做成系統以後價格更高。QCL的材料結構需要生長上千層，每層的厚度不到一個納米，生長難度很高。

國內方面，中科院半導體研究所的劉峰奇研究員帶領的課題組能夠自主生產高性能QCL，已做到室溫連續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，優於國外研究組。在氣體檢測應用方面，中科院半導體所已完成13CO2同位素呼吸氣體檢測儀研製，應用於人體胃幽門螺旋桿菌檢測。

另外，國內還有少數幾家公司是圍繞QCL進行封裝及系統搭建用於氣體檢測和分析方面的。

國際上QCL的製造商主要集中在美國和歐洲，包括：

美國的Daylight Solution（國內代理商：科藝儀器）、Block Engineering（國內代理商：森泉科技）、Pranalytica（國內代理商：上海會亞通信科技）、Wavelength Electronics（國內代理商：北京波威科技）、AdTech Optics（國內代理商：上海會亞通信科技）、Thorlabs、AKELA Laser，日本的濱松，瑞士的Alpes lasers（國內代理商：環球科技），法國的mirSense（國內代理商：上海昊量光電）以及德國Nano Plus（國內代理商：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，國內用戶可以通過光電匯網站查詢。」事實上，除了濱松，上述代理商及其代理產品在光電匯網站皆可查詢。

由此可以看出，商業化進展國外優於國內，而國內仍集中在科研領域。

量子級聯激光器將憑藉其優勢明顯、用途廣泛等特點，將成為未來五年內發展第二快速的激光器（增長速度第一的是直接半導體激光器）。

前途不可限量，值得業內同仁持續關注。

參考來源：光電匯（http://www.oeshow.cn）、賣姆斯諮詢、《輕兵器》（2015年10月）、《量子級聯激光器技術內涵及其應用前景》、知乎、百度百科、Ofweek