量子级联激光器，它的“前景”和“钱景”有多大？
来源：星之球科技 发布时间：2017/8/24 8:59:28 点击量：
量子级联激光器，它的“前景”和“钱景”有多大？
据麦姆斯咨询报道，全球量子级联激光器（Quantum Cascade Lasers, QCL）市场2017~2022年期间的复合年增长率为3.9%，预计市场有望到2022年增长至3.748亿美元。
作为最有发展前景的激光器之一，QCL激光器在短短的二十年，已经实现了从液氮脉冲工作到室温连续5 W输出，成为国内外科研和产业翘首以盼能够产生实质性进展的热门激光器之一。
量子级联激光器的发明是半导体激光器领域中具有里程碑意义的发展,开创了中远红外半导体激光的新领域。因为在中远红外波段，能用的激光器太少，而它恰恰能够工作于中红外区域（2.75-25 µm），甚至太赫兹波段，而且波长可调。
虽为半导体激光器，但是它的工作原理与通常的半导体激光器截然不同。它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，其发光波长由半导体能隙来决定。QCL受激辐射过程只有电子参与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。
量子级联激光器能带结构和工作原理示意图
它的级联过程，即电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子 “循环”起来，从而造就了一种令人惊叹的激光器。
量子级联激光器能做什么
量子级联激光器目前的主要用途是气体检测、红外对抗和太赫兹通信，尤其是在中波红外4-6 µm波段，基本达到了实用化程度。
1）气体检测
温室效应气体CO2、CH4、N2O等，以及神经毒气、糜烂毒气、爆炸物等气体，与疾病诊断如哮喘、溃疡、肾、肝、胸、肺、糖尿病、器官排异、精神分裂等有关的特征气体，其基频吸收谱线均落在2-14 µm波段内，而这正是QCL激光器的作用波段，所以它可广泛应用于国家安全、环境监测、工农业生产、医疗诊断、太空探索等领域。
通常QCL都会被集成到光谱仪中，完成红外光谱检测。QCL被认为是当前中远红外范围内进行气体检测的优势光源。
2) 红外对抗
定向红外对抗，通俗来说就是防止飞机受到红外制导导弹的威胁，是目前最有效的制导手段，一直备受世界各军事大国的关注。QCL激光器锁定目标后发射低功率激光脉冲来干扰导弹的制导系统，使其失去方向，从而保障飞机的安全，适合配备在直升机、倾转旋翼机和小型固定翼飞机上使用。
早期的定向红外装备中使用的是中波光参量振荡激光器。现在有些国家的军队已开始更新换代，使用QCL激光器。例如美国陆军投入约15亿美元开展了“通用红外对抗系统”（CIRCM）项目，全部采用更新换代的QCL激光器。据悉美国陆军定制了1076套系统，计划2017年底正式装备。
由此可见，QCL激光器将会成为红外对抗系统中的主力。
CIRCM系统的激光发射器
当前CH-47“支奴干”直升机上装备的“高级威胁红外对抗系统”ATIRCM，其对于陆军的飞机而言体积过大，未来将被CIRCM取代
3）太赫兹（THz）通信
THz通信是未来THz领域的重要应用，但因THz发射源及探测器的缺乏，导致THz技术起步较晚。目前THz源发射器的研究方向主要有THz-QCL、差频发生器（DFG）、参量振荡器（TPO）及其他THz源发生器。
其中，THz-QCL具有电光转换效率高、体积小、重量轻、适装性好等优点，是QCL的重要发展方向，将在通讯、成像和谱分析等技术领域获得广泛的应用。
QCL的产业市场
据麦姆斯咨询报道，全球QCL市场预计将从2016年的3.029亿美元增长至2022年的3.748亿美元，2017-2022年期间的复合年增长率为3.9%。市场增长预计将来自气体传感及化合物探测应用，以及医疗产业日益增长的非侵入式医疗诊断应用。
对于QCL的非侵入式医疗应用，中科院半导体研究所的刘峰奇研究员也表达了同样的观点。他认为，QCL产业化推进最有望实现重大突破的应用领域就是呼吸气体医疗检测应用。对应疾病的标志性气体在人体呼吸气体的含量非常低（ppb级别），而QCL在高灵敏检测方面具备天然的优势，有望成为呼吸气体分析技术领域瓶颈的最佳解决方案。
在分析技术不断完善的背景下，呼吸气体检测未来将有望成为一个与血检与图像学检查相互补充与竞争的大医疗检测产业。因此，随着呼吸气体检测领域的不断发展，基于QCL的呼吸气体检测仪有望在产业化推进中实现重大突破。
2016年，QCL的工业应用领域占据了最大的市场份额，其次是医疗领域。随着自由空间通讯对QCL的潜在需求，预计通讯产业将获得最高的增长速率。
北美地区作为QCL的主要应用市场，2016年稳居第一；亚太地区凭借中国和印度等工业发展中经济体的市场表现，将会有较高的增长速率。
从封装和工艺上来说，C-Mount封装QCL则凭借较低的成本优势，将占据最大的市场份额；随着QCL在军事与国防产业的需求增长，预计法布里-玻罗QCL将在2017-2022年内以很高的复合年增长率保持增长。
QCL的国内外发展情况
目前，国际上针对QCL的应用比较多，国内还非常少，主要原因可能是激光器价格较高，做成系统以后价格更高。QCL的材料结构需要生长上千层，每层的厚度不到一个纳米，生长难度很高。
国内方面，中科院半导体研究所的刘峰奇研究员带领的课题组能够自主生产高性能QCL，已做到室温连续1.2 W工作，波长4-10 µm，以及太赫兹波段都能覆盖，在低功耗以及气体探测用的DFB-QCL上，优于国外研究组。在气体检测应用方面，中科院半导体所已完成13CO2同位素呼吸气体检测仪研制，应用于人体胃幽门螺旋杆菌检测。
另外，国内还有少数几家公司是围绕QCL进行封装及系统搭建用于气体检测和分析方面的。
国际上QCL的制造商主要集中在美国和欧洲，包括：
美国的Daylight Solution（国内代理商：科艺仪器）、Block Engineering（国内代理商：森泉科技）、Pranalytica（国内代理商：上海会亚通信科技）、Wavelength Electronics（国内代理商：北京波威科技）、AdTech Optics（国内代理商：上海会亚通信科技）、Thorlabs、AKELA Laser，日本的滨松，瑞士的Alpes lasers（国内代理商：环球科技），法国的mirSense（国内代理商：上海昊量光电）以及德国Nano Plus（国内代理商：唯锐科技）。
滨松的市场部Chelly说，“我们可以提供多种型号的DFB-QCL激光器，满足用户的不同需求，国内用户可以通过光电汇网站查询。”事实上，除了滨松，上述代理商及其代理产品在光电汇网站皆可查询。
由此可以看出，商业化进展国外优于国内，而国内仍集中在科研领域。
量子级联激光器将凭借其优势明显、用途广泛等特点，将成为未来五年内发展第二快速的激光器（增长速度第一的是直接半导体激光器）。
前途不可限量，值得业内同仁持续关注。
