帶間級聯激光器（ICL）是實現3～5μm波段中紅外激光器的重要前沿，其在半導體光電器件技術、氣體檢測、醫學醫療以及自由空間光通信等領域具有重要科學意義和應用價值。近年來，半導體帶間級聯激光器的量子阱能帶理論設計方法和激光器制備**技術得到迅速提升。帶間級聯激光器是一種以?族體系為主，通過量子工程的能帶設計及其材料外延、工藝制作而成的可以工作于中紅外波段的激光器。由于結合了傳統的量子阱激光器較長的上能級載流子復合壽命，以及量子級聯激光器（QCL）通過級聯結構實現較高內量子效率的優點，在中紅外波段具有較大的優勢。研究背景中紅外波段包含了許多氣體分子的吸收峰，對于氣體分子而言，在中紅外波段的中心吸收截面一般比其在近紅外區的中心吸收截面高幾個數量級。因此，為了獲得更高的靈敏度和更低的檢測限，利用中紅外的可調諧半導體激光器吸收光譜技術（TDLAS）可以實現對特殊或有毒氣體的檢測。常見的位于中紅外波段的氣體分子如圖1所示，諸如礦井氣體甲烷（CH4）分子吸收峰位于3260nm，一氧化碳（CO）分子吸收峰位于4610nm，二氧化碳（CO2）分子吸收峰位于4230nm，氯化氫（HCl）分子吸收峰位于3395nm，溴化氫（HBr）分子吸收峰位于4020nm。 在工業污染分析中，QCL的快速響應和高靈敏度使其能夠實時監測煙塵顆粒的組成和濃度。上海COQCL激光器

    閾值電流密度較低帶間躍遷和子帶間躍遷示意圖常規半導體激光器是雙極性器件，導帶中的電子與價帶中的空穴復合生成光子，而量子級聯激光器是單極性器件，只靠導帶中子帶間電子的躍遷產生光子，如圖4所示，電子躍遷的始態與終態的曲線的曲率相同，這樣形成的增益譜很窄而且對稱，是量子級聯激光器能夠低閾值工作的一個原因。當然，QCL的閾值電流密度也與有源區設計，材料生長以及器件結構有關。尺寸較小圖5量子級聯激光器實物圖量子級聯激光器的尺寸較小，如圖5所示，量子級聯激光器管芯的長度一般為3mm，隨著激光器性能提高，可以將其封裝在方盒內，從而方便地移動和操作。量子級聯激光器的工作溫度、輸出性能和波長覆蓋范圍在過去的20年取得了迅猛發展。其中，有兩個里程碑，一個是1997年室溫工作的分布反饋量子級聯激光器（DFB-QCL）的研制成功，實現了波長為μm和8μm的DFB-QCL的室溫工作，其中μm的激光器300K時峰值功率為60mW；另一個是2002年實現了波長為μm量子級聯激光器的室溫連續工作，器件在292K時輸出功率為17mW，比較高連續工作溫度為321K。 上海COQCL激光器利用多種形式的光譜學測量手段，開展地面探測、地基探測、機載探測和星載探測四種典型光學觀測.

    大氣中CO2、CH4、N2O三大溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段，其中近紅外波段波長在－μm范圍，對應于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長位于－25μm范圍，對應于氣體分子的“基頻”吸收譜帶，吸收強度要明顯高于近紅外波段，適用于濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測。針對目前溫室氣體多目標場景監測需求，研究人員開展了不同形式的探測方法研究，主要包括地面探測、地基探測、機載探測和星載探測，綜合運用各種吸收光譜技術和儀器，通過掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜，經過光電信號轉換、光譜信號采集、濃度算法解析、軟件數據處理等技術過程，能夠實現溫室氣體多組分高靈敏時空分辨觀測。

    紅外激光光譜學獨特的優勢以及在許多領域有著潛在的重要應用價值，是近年來非常熱門的研究領域之一。主要的應用有：(1)高選擇性，高分辨率的光譜技術，由于分子光譜的“指紋”特征，它不受其它氣體的干擾。這一特性與其它方法相比有明顯的優勢。(2)它是一種對所有在紅外有吸收的活躍分子都有效的通用技術，同樣的儀器可以方便的改成測量其它組分的儀器，只需要改變激光器和標準氣。由于這個特點，很容易就能將其改成同時測量多組分的儀器。(3)它具有速度快，靈敏度高的優點。在不失靈敏度的情況下，其時間分辨率可以在ms量級。應用該技術的主要領域有：分子光譜研究、工業過程監測控制、燃燒過程診斷分析、發動機效率和機動車尾氣測量、檢測、大氣中痕量污染氣體監測等。因此，可調諧紅外激光光譜新方法及其環境污染時空分布監測研究對國家可持續發展和解決環境領域中必不可少的監測分析新方法與新技術有重要的科學意義和實用價值。應用該技術的主要領域有：1、分子光譜研究：光譜結構、線寬、線強等；2、大氣痕量氣體檢測：CH2O、CH4、CO2、NH3等；3、工業過程監測控制：CO、CO2、H2O、NH3等；4、醫療診斷：NO、CO、CO2、CH4等；5、機動車尾氣測量：CO、CO2、NH3、NO等。 DFB激光器同時提供對波長的平滑、可調諧控制以及精確光纖通信和光譜應用所需的極窄光譜寬度。

    QCL激光器的基本結構包括FP-QCL、DFB-QCL和ECqcL。增益介質顯示為灰色，波長選擇機制為藍色，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色。1.簡單的結構是F-P腔激光器（FP-QCL）。在F-P結構中，切割面為激光提供反饋，有時也使用介質膜以優化輸出。2.第二種結構是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結構（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結構低很多。通過大范圍的溫度調諧，DFB-QCL還可以提供有限的波長調諧（通過緩慢的溫度調諧獲得10~20cm-1的調諧范圍，或者通過快速注進電流加熱調諧獲得2~3cm-1的范圍）。3.第三種結構是將QC芯片和外腔結合起來，形成ECqcL。這種結構既可以提供窄光譜輸出，又可以在QC芯片整個增益帶寬上（數百cm-1）提供快調諧（速度超過10ms）。由于ECqcL結構使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運作。 TDLAS：當激光波長與待測氣體分子的吸收線匹配時，分子會吸收部分能量，透射光強度的變化，計算氣體濃度。遼寧HerriotQCL激光器加工

分布式反饋激光二極管（DFB-LD）檢測某種氣體，該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長。上海COQCL激光器

    TDLAS能實現"原位、連續、實時測量"，環境適應力強，易于設備的小型化。因此可以掙脫實驗室的束縛，在產業應用中大展拳腳。比如大氣環境在線監測、發動機效率檢測、汽車尾氣測量、工業過程氣體實時監測等等。TDLAS利用半導體激光器的波長調諧特性，可獲得被選定的待測氣體特征吸收峰的吸收光譜，從而對氣體定性或者定量的分析。每種氣體分子的吸收峰受其他氣體吸收干擾很小，所以也稱之為"分子的指紋峰"TDLAS技術簡單來說就是這些氣體"分子指紋"的識別系統，具有很強的選擇性。此外，TDLAS的檢測靈敏度也是較高的，不過檢出限能達到怎樣的量級，就和所用光源有著很大的關系。常見的污染氣體的"指紋峰"主要集中在4μm-10μm，基本是中紅外的天下，所以，作為中紅外激光光源的QCL，則可展現性能優勢。再加之高輸出功率，檢出限可達到ppb，甚至ppt級別。這比傳統的近紅外光源所能達到的水平，整整高出了3~6個量級。 上海COQCL激光器

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