量子级联激光器 (QCL) 是一种特殊类型的半导体激光器，其工作发射原理与其他半导体激光器不同。本文将探讨这类激光器的工作原理及其在中红外光谱应用中的应用。

什么是量子级联激光器？

量子级联激光器 (QCL) 是一种半导体激光器，其发射波长位于电磁波谱的中红外至远红外区域。半导体激光器种类繁多，但 QCL 的工作原理与大多数激光器略有不同。大多数半导体激光器通过跨材料带隙的电子和空穴结合，从带内发射出电磁辐射。

相比之下，量子级联激光器 (QCL) 是单极激光器，利用子带间发射来发射激光。当一系列量子阱异质结构堆叠在一起并施加电压时，导带内的粒子数反转会产生子带间发射。这类激光器因这一过程会产生级联量子阱而得名。

量子级联激光器 (QCL) 有多种形式，不同厚度的半导体材料可以堆叠在一起，以调节子带间跃迁和激光发射。QCL 中最常用的结构是法布里-珀罗 (FP)、分布反馈 (DFB) 和外腔 (EC) 结构。这些结构以及构成这些结构的半导体材料层通常采用分子束外延 (MBE) 或金属有机气相外延 (MOVPE) 工艺构建。

中红外光谱中的量子级联激光器

由于量子级联激光器（QCL）的发射范围广，它们在中红外光谱应用中得到了广泛的应用，而量子级联激光器光谱是第一个被广泛应用的中红外光谱技术。本文，我们将探讨量子级联激光器相对于某些光谱方法中使用的激光器的优势，以及它的具体应用。

优于其他光谱激光器

量子级联激光器 (QCL) 在光谱应用中比其他工艺具有诸多优势。其主要优势之一是它可以在室温下进行连续波 (CW) 操作，无需液氮。此外，它还具有许多其他优势，例如高光谱功率密度、单模发射和小型化/集成效率，下文将详细介绍。

目前QCL的光功率密度为1 Wcm -2，大约是傅里叶变换红外光谱仪中热发射器的五倍。此外，QCL光谱仪具有单模发射，俗称窄谱发射线，这是许多高选择性测量（尤其是气体测量）的先决条件。最后，由于QCL是半导体激光器，因此可以轻松实现小型化并与许多其他技术集成。这种小型化和集成化不仅有助于提高现场使用的稳健性和稳定性，还有助于提高QCL光谱仪的电光转换效率。

QCL光谱应用

量子级联激光器 (QCL) 光谱技术广泛应用于各个科学领域。在制药领域，QCL 光谱技术可用于测定药物制剂中的活性药物成分 (API)，其中 API 的浓度可低至 0.05%。在药物成分鉴定方面，QCL 光谱技术的准确度和精密度与近红外光谱技术、衰减全反射中红外傅里叶变换红外光谱技术以及拉曼光谱技术相当。

QCL光谱技术也已广泛应用于生物医学研究的诸多领域，尤其是在生物医学分析领域；该领域需要快速、无标记且客观的分析（QCL中红外光谱技术正是满足这一需求）。QCL光谱技术还开辟了开发量化临床相关浓度水平的分析方法以及辅助医学诊断方法的新途径。QCL光谱技术可用于多种生物样本，包括呼吸、尿液、血液、间质液和活检样本。

量子级联激光器（QCL）光谱技术也可用于大气化学应用，特别是用于大气中痕量气态元素和污染物的远程探测。量子级联激光器（QCL）常用于大气化学领域的地面涡旋协方差测量、同位素测量和机载平台大气测量。迄今为止，量子级联激光器（QCL）光谱技术已用于探测甲烷、氧化亚氮、一氧化碳、二氧化碳、甲醛、臭氧、氨和乙炔。

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