中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在現(xiàn)代科技快速發(fā)展的背景下，氣體檢測(cè)、醫(yī)療診斷、定向紅外對(duì)抗、空間自由通信等領(lǐng)域?qū)χ羞h(yuǎn)紅外波段光源的需求日益迫切。傳統(tǒng)激光器受限于自身結(jié)構(gòu)和材料特性，無(wú)法滿足中遠(yuǎn)紅外及太赫茲波段的應(yīng)用需求，而量子級(jí)聯(lián)激光器的出現(xiàn)打破了這一瓶頸。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)不斷成熟，憑借體積小、高能效、波長(zhǎng)可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)，已成為中遠(yuǎn)紅外波段最具潛力的激光光源，在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用并持續(xù)突破性能極限。
有源區(qū)設(shè)計(jì)是決定量子級(jí)聯(lián)激光器性能的核心因素，其結(jié)構(gòu)演進(jìn)直接推動(dòng)了激光器技術(shù)的不斷升級(jí)。1994 年，三阱耦合單聲子共振斜躍遷結(jié)構(gòu)成為首個(gè)導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)，基于量子限制效應(yīng)與能帶工程理論，采用分子束外延技術(shù)精確生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 4.2μm 波長(zhǎng)激射，但存在注入效率低、溫度敏感性高的問題，脈沖峰值功率僅 8.5mW，且只能在低溫下運(yùn)行。
1995 年，三阱耦合單聲子共振垂直躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，通過將斜躍遷改為垂直躍遷，大幅提升了躍遷概率與增益，優(yōu)化了級(jí)聯(lián)載流子輸運(yùn)，將閾值電流密度由 15kA/cm2 降至 3kA/cm2，顯著增強(qiáng)了激光器溫度穩(wěn)定性與光輸出效率。1997 年，超晶格有源區(qū)結(jié)構(gòu)采用周期性堆疊量子阱與勢(shì)壘層設(shè)計(jì)，電子經(jīng)隧穿注入第二導(dǎo)帶微帶后躍遷返回第一微帶頂部輻射光子，可通過調(diào)整層厚實(shí)現(xiàn)中紅外波段波長(zhǎng)定制化輸出，且能承受更大驅(qū)動(dòng)電流，獲得更高輸出光功率。
2001 年，束縛 - 連續(xù)躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)三量子阱高注入效率和超晶格有源區(qū)微帶抽取速度快的優(yōu)勢(shì)，解決了激光器高閾值電流和高溫性能受限的問題;同年，四阱耦合雙聲子共振有源區(qū)結(jié)構(gòu)利用兩個(gè)聲子能量實(shí)現(xiàn)電子快速弛豫，縮短下能級(jí)壽命，同時(shí)通過應(yīng)變補(bǔ)償材料抑制電子隧穿泄漏，提升了激光器高溫性能和單模穩(wěn)定性。2009 年，非共振抽取結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)激光器對(duì)雙聲子共振的依賴，引入多弛豫通道機(jī)制，在提高激光躍遷矩陣元、抑制熱回填、增強(qiáng)能級(jí)間距等方面實(shí)現(xiàn)靈活優(yōu)化。
2023 年，混合有源區(qū)設(shè)計(jì)將自組裝的 InAs 量子點(diǎn)嵌入 InGaAs 量子阱中，形成混合 QW/QD 結(jié)構(gòu)，通過增加量子點(diǎn)與基底的晶格不匹配、改善量子點(diǎn)尺寸均勻性等調(diào)整，有效抑制了載流子泄漏，提升了載流子注入效率，進(jìn)一步優(yōu)化了激光器性能。
(一)中波紅外激光器：功率提升與波長(zhǎng)拓展雙突破
1994 年，首個(gè)中波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn) 4.2μm 波長(zhǎng)激射，但無(wú)法在室溫下連續(xù)工作，脈沖峰值功率僅 8.5mW。1996 年，采用漏斗型注入?yún)^(qū)與三阱耦合單聲子共振有源區(qū)結(jié)合的設(shè)計(jì)，提高了電子注入效率，激光器在室溫脈沖模式下峰值功率達(dá) 200mW，激射波長(zhǎng)為 5.2μm。2001 年，基于四阱耦合雙聲子共振結(jié)構(gòu)的激光器，在 273K 低溫下脈沖模式峰值功率達(dá)到 1.15W，但仍不支持室溫連續(xù)工作。
2005 年，基于束縛 - 連續(xù)態(tài)躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)的激光器實(shí)現(xiàn) 5.4μm 波長(zhǎng)激射，支持室溫連續(xù)工作，303K 條件下輸出功率為 0.35mW。2007 年，采用新型設(shè)計(jì)的激光器在 298K 條件下連續(xù)輸出功率超過 675mW，激射波長(zhǎng)為 4.7μm。2008 年，基于非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn)重大突破，在 300K 條件下連續(xù)輸出功率達(dá) 1.6W，達(dá)成中波紅外激光器室溫下連續(xù)瓦級(jí)光功率輸出目標(biāo)。
2009 年，基于雙聲子共振設(shè)計(jì)的激光器在 298K 條件下連續(xù)輸出功率提升至 3.4W，激射波長(zhǎng)為 4.8μm。2011 年，淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn) 4.9μm 波長(zhǎng)激射，298K 條件下連續(xù)輸出功率達(dá) 5.1W，連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率達(dá) 21%，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)最優(yōu)水平。2020 年，同樣基于淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)的激光器，在 4.9μm 波長(zhǎng)下獲得 5.6W 室溫連續(xù)輸出光功率和 22% 的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率，至今保持世界最優(yōu)水平。
在波長(zhǎng)拓展方面，1998 年，通過應(yīng)變補(bǔ)償材料體系將激光器激射波長(zhǎng)縮短至 3.4μm，15K 條件下連續(xù)輸出功率 120mW。2006 年，采用等離子增強(qiáng)波導(dǎo)設(shè)計(jì)將激射波長(zhǎng)縮減至 3.1~3.3μm。2007 年，通過應(yīng)變補(bǔ)償有源區(qū)設(shè)計(jì)，在 80K 下將工作波長(zhǎng)減小至 3.05μm，但受材料質(zhì)量限制，僅能在 150K 以下工作。同年，基于 InP 襯底材料體系的激光器，室溫工作波長(zhǎng)為 3.4~3.6μm，20K 低溫下波長(zhǎng)接近 3μm。2010 年，基于 InAs/AlSb 材料體系的激光器在 80K 下實(shí)現(xiàn) 2.63~2.65μm 波長(zhǎng)輸出。
國(guó)內(nèi)方面，2000 年采用應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)研制的 InGaAs/InAlAs 激光器，激射波長(zhǎng)覆蓋 3.5~3.7μm，最大輸出功率下可連續(xù)運(yùn)行 30 分鐘。2006 年，低閾值 DFB 激光器激射波長(zhǎng) 7.7μm，室溫脈沖模式下閾值電流密度僅 970A/cm2，峰值功率 75mW，130K 連續(xù)波工作條件下實(shí)現(xiàn) 2mW 光功率輸出。2011 年，DFB 激光器實(shí)現(xiàn) 4.6μm 波長(zhǎng)激射，303K 工作溫度下功率 40mW。2013 年，表面光柵設(shè)計(jì)的 DFB 激光器在 4.7μm 波長(zhǎng)下，288K 時(shí)功率 0.85W，閾值電流密度 1.19kA/cm2。2015 年，表面發(fā)射 DFB 激光器波長(zhǎng) 4.97μm，閾值電功耗降至 1.27W。2017 年，半導(dǎo)體埋層光柵設(shè)計(jì)的表面發(fā)射 DFB 激光器，293K 下功率 248mW。2020 年，F(xiàn)P 激光器在 4.6μm 波長(zhǎng)下，283K 時(shí)功率 12.6mW，實(shí)現(xiàn)超低功耗。2021 年，4.6μm 激光器實(shí)現(xiàn) 854.2mW 室溫連續(xù)輸出。2023 年，微環(huán)諧振腔激光器在 4.6μm 波長(zhǎng)下，288K 時(shí)功率 0.1mW，實(shí)現(xiàn) 20GHz 高頻操作。
(二)長(zhǎng)波紅外激光器：功率提升與長(zhǎng)波長(zhǎng)拓展的技術(shù)突破
1997 年，基于 AlInAs/GaInAs 超晶格有源區(qū)的長(zhǎng)波紅外激光器實(shí)現(xiàn) 8μm 波長(zhǎng)激射，80K 時(shí)峰值功率為 0.8W。2002 年，基于 InP 晶格匹配體雙聲子共振有源區(qū)結(jié)構(gòu)的激光器，首次實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)運(yùn)行，輸出功率 10mW，波長(zhǎng) 9.1μm。2009 年，雙聲子共振設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn) 10.2μm 波長(zhǎng)激射，298K 條件下連續(xù)輸出功率提升至 0.62W。2012 年，非共振抽取設(shè)計(jì)的激光器在 9μm 波長(zhǎng)下，293K 條件下連續(xù)輸出功率提升至 2W。2020 年，高微分增益有源區(qū)設(shè)計(jì)的激光器實(shí)現(xiàn) 8.3μm 波長(zhǎng)激射，288K 條件下連續(xù)輸出功率達(dá)到 3.4W，連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率達(dá) 13%，創(chuàng)下長(zhǎng)波紅外激光器當(dāng)前最高水平。
在長(zhǎng)波長(zhǎng)拓展方面，2001 年，基于 InGaAs/InAlAs 材料體系的激光器實(shí)現(xiàn)接近 24μm 波長(zhǎng)輸出。2002 年，采用 GaAs/AlGaAs 材料體系實(shí)現(xiàn) 23μm 波長(zhǎng)輸出，但這些器件僅能在低溫條件下運(yùn)行。2014 年，采用 “束縛態(tài) - 連續(xù)態(tài)躍遷” 設(shè)計(jì)和雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器，將工作波長(zhǎng)穩(wěn)定在 24μm，脈沖模式工作溫度提升至 240K。2016 年，基于 InP 襯底晶格匹配異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光器，將工作波長(zhǎng)延伸至 28μm，但脈沖工作溫度上限仍為 175K。2014 年，基于 InAs/AlSb 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光器實(shí)現(xiàn) 19μm 和 21μm 波長(zhǎng)輸出，分別實(shí)現(xiàn) 291K 與 250K 運(yùn)行溫度。2016 年，該體系激光器實(shí)現(xiàn) 15μm 波長(zhǎng)室溫連續(xù)工作。2018 年，采用硅基襯底直接外延工藝的激光器實(shí)現(xiàn) 11μm 波長(zhǎng)輸出，工作溫度達(dá) 380K。2019 年，實(shí)現(xiàn) 17μm 波長(zhǎng)室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，20μm 波長(zhǎng)器件實(shí)現(xiàn) 380K 脈沖工作與 240K 連續(xù)工作，24.7μm 長(zhǎng)波器件脈沖工作溫度穩(wěn)定在 240K。
國(guó)內(nèi)方面，1999 年研制的首個(gè)紅外激光器，激射波長(zhǎng) 8.16μm，8K 條件下輸出功率 70mW，250K 條件下輸出功率 5mW。2010 年，DFB 激光器激射波長(zhǎng)范圍 8.1~8.4μm，90K 條件下表面發(fā)射功率 101mW，邊緣發(fā)射功率 199mW。2018 年，基于束縛態(tài) - 連續(xù)態(tài)設(shè)計(jì)的激光器在 8μm 波長(zhǎng)下，283K 和 323K 條件下分別實(shí)現(xiàn) 401mW 和 108mW 連續(xù)波輸出功率;同年，埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 9.4μm 激光器在室溫下實(shí)現(xiàn) 9mW 連續(xù)波輸出。2019 年，基于對(duì)角躍遷和非共振提取設(shè)計(jì)的激光器，14μm 波長(zhǎng)下 293K 條件下峰值功率達(dá) 830mW，平均功率 75mW。2023 年，π 形金屬接觸電極設(shè)計(jì)的高速激光器，8.5μm 波長(zhǎng)下室溫連續(xù)工作，最大輸出功率 141mW，寄生電容從 36.6pF 降至 7.1pF，調(diào)制帶寬提升至 4.5GHz。2024 年，集成接地共面波導(dǎo)的高速激光器，8.5μm 波長(zhǎng)下室溫連續(xù)工作，7.8μm 脊寬器件功率為 91mW，調(diào)制帶寬最高達(dá) 23.9GHz。
(三)太赫茲激光器：功率提升與工作溫度優(yōu)化的雙重進(jìn)展
2002 年，基于啁啾超晶格有源區(qū)設(shè)計(jì)和半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的太赫茲激光器，在約 10K 條件下輻射 4.4THz 脈沖太赫茲波，輸出功率約 2mW。2003 年，基于束縛態(tài)向連續(xù)態(tài)躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)的激光器，將 10K 條件下的最高輸出功率提高到 22mW。2013 年，通過對(duì)稱結(jié)構(gòu)器件鍵合技術(shù)，5K 條件下雙面總功率達(dá)到 940mW，接近瓦級(jí)輸出。2017 年，利用大尺寸器件的多模激光器，在 10K 條件下最高功率提升至 2.4W，創(chuàng)下多模太赫茲激光器輸出功率最高水平。2018 年，采用第三階橫向模金屬 - 金屬波導(dǎo)超表面設(shè)計(jì)的垂直腔面發(fā)射激光器，實(shí)現(xiàn)單模輸出，峰值功率達(dá)到 1.35W。2020 年，采用鎖相陣列的單模激光器，脈沖功率提高到 2.03W。
在工作溫度優(yōu)化方面，2009 年，斜躍遷三阱共振聲子散射有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合雙面 Cu 金屬波導(dǎo)設(shè)計(jì)的激光器，激射頻率 3.9THz，最高工作溫度達(dá)到 186K。2011 年，散射輔助注入方案的激光器，激射頻率 1.8THz，最高工作溫度 163K。2012 年，優(yōu)化振蕩器強(qiáng)度與注入勢(shì)壘耦合的激光器，激射頻率在 2.6~3.2THz 范圍內(nèi)可調(diào)，最高工作溫度提高到 199.5K。2019 年，基于非平衡格林函數(shù)模型優(yōu)化的二阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)激光器，工作溫度提升至 210.5K，達(dá)到熱電制冷條件。2021 年，高 Al 組分勢(shì)壘設(shè)計(jì)的激光器，激射頻率 4THz，最高工作溫度提升至 250K，230K 電熱制冷條件下仍有數(shù)十毫瓦峰值功率輸出。2023 年，優(yōu)化直接聲子抽運(yùn)方案的激光器，將勢(shì)壘 Al 組分提高到 35%，最高工作溫度提升至 261K。2024 年，GaN - 太赫茲激光器通過增加摻雜密度和提高勢(shì)壘 Al 組分，在 280K 溫度下實(shí)現(xiàn)激射。
國(guó)內(nèi)方面，2010 年成功研制出 3THz 的太赫茲激光器，性能達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平;2014 年輸出功率提升至 1W;2015 年進(jìn)一步增至 1.37W。2016 年，基于金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和 MOPA 架構(gòu)的激光器，激射波長(zhǎng) 2.4~2.6THz，20K 工作溫度下脈沖輸出功率 1.38mW。2018 年，優(yōu)化光柵耦合器并引入埋入式 DFB 光柵和錐形預(yù)放大器的激光器，輸出功率提升至 136mW，光束發(fā)散角優(yōu)化縮小至 18°×16°。2020 年，引入 “魚骨型” 光柵結(jié)構(gòu)的 THz-MOPA 激光器，首次實(shí)現(xiàn)單片集成偏振調(diào)控，4THz 波長(zhǎng)下峰值功率 8.3mW。2016 年，基于束縛態(tài)向連續(xù)態(tài)躍遷和共振聲子結(jié)合設(shè)計(jì)的激光器，15K 工作溫度下連續(xù)波輸出功率最高約 0.23W。2018 年，四阱共振聲子有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合優(yōu)化波導(dǎo)設(shè)計(jì)的激光器，實(shí)現(xiàn) 4.3THz 頻率激射，脈沖峰值功率 1.2W。2009 年，通過熱管理策略優(yōu)化的激光器，脈沖模式最高工作溫度達(dá)到 90K。2016 年，采用半絕緣表面等離子體波導(dǎo)和外延面朝下封裝工藝的激光器，脈沖模式下工作溫度可達(dá) 100K。2022 年，高 Al 組分四量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的激光器，脈沖模式下最高工作溫度達(dá)到 119K。
(一)紅外成像領(lǐng)域：激光器賦能高效精準(zhǔn)檢測(cè)
將傅里葉變換紅外光譜顯微鏡的光源替換為量子級(jí)聯(lián)激光器，并搭配室溫微測(cè)輻射熱計(jì)作為探測(cè)器，可構(gòu)建 QCL 紅外成像顯微鏡。該激光器采用寬視場(chǎng)設(shè)計(jì)，能照亮更大樣品區(qū)域，數(shù)據(jù)采集速率比傳統(tǒng)傅里葉變換紅外顯微鏡快兩個(gè)數(shù)量級(jí)，雖存在相干偽像問題，但可通過相干性降低技術(shù)顯著提高圖像質(zhì)量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)紅外和拉曼顯微鏡成像速度慢的缺陷。
在生物醫(yī)學(xué)成像方面，基于激光器的中紅外光譜顯微成像技術(shù)，結(jié)合可調(diào)諧激光源、折射光學(xué)和大面積探測(cè)器，能實(shí)現(xiàn)高分辨率、衍射極限成像，同時(shí)擴(kuò)大成像視野并提高采樣效率，相比傳統(tǒng)傅里葉變換紅外顯微鏡，可獲得更清晰的組織圖像，快速識(shí)別早期病變及微小組織特征。在癌癥診斷中，采用 14 個(gè)離散頻率的 DFIR 方式，可在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá) 90% 的診斷準(zhǔn)確率;對(duì)乳腺癌組織進(jìn)行高通量化學(xué)成像分析時(shí)，識(shí)別惡性與非惡性基質(zhì)的敏感性和特異性分別達(dá) 93.56% 和 85.64%，患者診斷中敏感性達(dá) 100%、特異性達(dá) 86.67%;結(jié)直腸癌自動(dòng)分類技術(shù)通過改進(jìn)分類模型，幾分鐘內(nèi)即可完成組織切片高精度診斷，敏感性和特異性分別達(dá) 96% 和 100%。2023 年，結(jié)合光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)的激光器，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)未處理、完全水合的生物組織及活體生物的亞微米級(jí)化學(xué)成像，打破傳統(tǒng)紅外技術(shù)需樣本脫水處理的限制，空間分辨率提高到 400μm。2025 年，激光器紅外顯微鏡與深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，可快速生成高分辨率紅外圖像，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別斑塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)需化學(xué)標(biāo)記檢測(cè)阿爾茨海默病腦組織中的 β 淀粉樣蛋白斑塊。
在消防救援領(lǐng)域，紅外激光器全息技術(shù)能在 8~13μm 的紅外大氣窗口波段工作，有效避開火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙霧和火焰的遮擋干擾。利用激光器作為光源，結(jié)合全息技術(shù)的干涉和衍射原理，可穿透煙霧和火焰對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高精度三維成像，快速準(zhǔn)確定位待救援目標(biāo)，大幅提高救援效率，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
(二)氣體檢測(cè)領(lǐng)域：激光器實(shí)現(xiàn)痕量快速監(jiān)測(cè)
基于量子級(jí)聯(lián)激光器的紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，可在 2~14μm 波段內(nèi)快速檢測(cè)多種痕量氣體，具備體積小、重量輕、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
2019 年，基于閃耀光柵設(shè)計(jì)的改進(jìn)型 Littrow 外腔激光器，通過取消芯片后端高反膜并以閃耀光柵零級(jí)衍射光作為損耗，實(shí)現(xiàn)輸出功率與反饋光強(qiáng)獨(dú)立調(diào)節(jié)，既獲得寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，又提升了激光功率和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中輸出功率與波長(zhǎng)調(diào)諧范圍無(wú)法同時(shí)最優(yōu)的問題，適用于痕量氣體檢測(cè)。2020 年，由 32 個(gè) DFB 激光器組成的陣列，在 1190~1340cm?1 廣譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) CH?和 N?O 混合氣體的高靈敏度檢測(cè)，結(jié)合石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)提升信號(hào)響應(yīng)度，可在復(fù)雜氣體混合物中準(zhǔn)確區(qū)分和定量處理氣體濃度。2022 年，將差分共振光聲池和多線性回歸算法結(jié)合到 EC-QCL 的光聲光譜傳感器中，成功檢測(cè)電力設(shè)備中 SF?氣體的分解產(chǎn)物，解決氣體光譜重疊難題，1s 檢測(cè)時(shí)間內(nèi)靈敏度達(dá)到 ppb 級(jí);同年，中紅外 QEPAS 技術(shù)與 EC-QCL 結(jié)合，利用濕度控制和卡爾曼濾波算法，首次實(shí)現(xiàn) CH?、N?O、H?O 的同步檢測(cè)，顯著提高檢測(cè)穩(wěn)定性。2023 年，基于激光器的 CO 遙測(cè)傳感器，采用大尺寸菲涅爾透鏡提升光收集效率，引入激光波長(zhǎng)鎖定技術(shù)解決環(huán)境溫度漂移，結(jié)合二次諧波與激光功率信號(hào)歸一化技術(shù)降低背景噪聲干擾，成功在實(shí)際大氣環(huán)境中應(yīng)用。2024 年，將差分變換和 B 樣條擬合算法引入 EC-QCL，解決激光基線漂移問題，實(shí)現(xiàn) NH?、O?、CO?同時(shí)檢測(cè)，新算法使靈敏度提升 3.7 倍，120s 積分時(shí)間下，三種氣體檢測(cè)限分別達(dá)到 1.3ppm、26.7ppm 和 37.0ppm。2025 年，結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的多周期低秩重建解析方法，通過矩陣重構(gòu)和低秩優(yōu)化技術(shù)提升信號(hào)信噪比，抑制檢測(cè)波動(dòng)，使用中心波長(zhǎng) 4.53μm 的激光器結(jié)合長(zhǎng)光程氣體池設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) 10s 內(nèi)對(duì) 100ppb 級(jí)別笑氣的準(zhǔn)確快速檢測(cè);同年，用于檢測(cè)人體呼氣中甲醛、乙醛等氣體的激光器傳感器，結(jié)合丙酮數(shù)據(jù)構(gòu)建肺癌篩查模型，通過改進(jìn)的信號(hào)降噪算法和優(yōu)化的深度學(xué)習(xí)模型，顯著提升檢測(cè)信噪比和準(zhǔn)確性。
(三)自由空間光通信領(lǐng)域：激光器助力高速穩(wěn)定傳輸
量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射波長(zhǎng)位于大氣窗口區(qū)域，衰減更小，支持更遠(yuǎn)傳播距離，且弛豫時(shí)間極短，可實(shí)現(xiàn) 5~10GHz 高頻率運(yùn)行，提供超高通信帶寬，同時(shí)激光束難以被探測(cè)和破解，安全性更高，這些優(yōu)勢(shì)使其在自由空間光通信領(lǐng)域具有顯著競(jìng)爭(zhēng)力。
2020 年，基于激光器和 II 型超晶格探測(cè)器的中紅外自由空間光通信系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)近紅外技術(shù)，大幅減少雨霧等天氣干擾，提升通信距離和穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn) 10MHz 數(shù)據(jù)傳輸。2021 年，峰值功率超過 3W、波長(zhǎng) 4.5μm 的脈沖激光器應(yīng)用于中紅外光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)，7MHz 調(diào)制頻率下仍保持 0.64W 脈沖功率，結(jié)合中紅外波段大氣衰減低的特點(diǎn)，理論通信距離達(dá) 5 公里。2022 年，利用中紅外激光器頻率梳自發(fā)產(chǎn)生的模態(tài)間拍頻信號(hào)作為載波，實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)頻與數(shù)字調(diào)幅并行傳輸，系統(tǒng)信噪比高達(dá) 65dB，調(diào)制帶寬達(dá) 300kHz，音頻信號(hào)傳輸保真度達(dá) 87%，數(shù)字信號(hào)并行傳輸達(dá) 5Mb/s。2023 年，采用直接調(diào)制的激光器和完全無(wú)源的量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器，在長(zhǎng)波紅外波段實(shí)現(xiàn)高速自由空間光通信，省去復(fù)雜外部調(diào)制器和冷卻系統(tǒng)，簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)并降低能耗，在 0℃、5℃和 10℃溫度下，系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn) 11Gb/s、10Gb/s 和 8Gb/s 傳輸速率。2024 年，通過優(yōu)化金屬 / 半導(dǎo)體光柵和腔內(nèi)光子壽命，增強(qiáng) DFB 激光器單頻輸出能力，提高光譜選擇性和調(diào)制帶寬，在 4.6μm 波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)超過 100mW 連續(xù)波輸出功率，結(jié)合器件電容減小和電極設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決高功率與高調(diào)制速度的權(quán)衡問題，搭配高靈敏度諧振腔紅外探測(cè)器，在室溫下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5Gb/s 數(shù)據(jù)傳輸，顯著提升鏈路預(yù)算和抗干擾能力。2025 年，采用封閉式斯特林制冷器冷卻的 2.83THz 激光器作為發(fā)射端，室溫工作的 GFET 為接收器，結(jié)合二進(jìn)制開關(guān)鍵控和曼徹斯特編碼技術(shù)，在 1Mb/s 速率下實(shí)現(xiàn) 60cm 無(wú)誤通信，若優(yōu)化為 3.44THz 激光器光源，通信距離可擴(kuò)展至約 5m，突破傳統(tǒng)太赫茲通信對(duì)低溫冷卻的依賴。
(四)定向紅外對(duì)抗領(lǐng)域：激光器支撐高效防御系統(tǒng)
定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)通過定向發(fā)射高度集中的紅外激光束照射來襲導(dǎo)彈的光電探測(cè)器，利用不同激光功率密度產(chǎn)生干擾信號(hào)，使導(dǎo)引頭無(wú)法正常識(shí)別和鎖定目標(biāo)，甚至導(dǎo)致探測(cè)器飽和眩目、致盲或損壞，從而保護(hù)飛行作戰(zhàn)平臺(tái)。量子級(jí)聯(lián)激光器憑借卓越的中紅外激光輸出能力，兼具傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器尺寸小、重量輕、泵浦方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為下一代 DIRCM 激光源的理想選擇。
在實(shí)際應(yīng)用中，高功率輸出和穩(wěn)定光束質(zhì)量的激光器可有效干擾紅外制導(dǎo)武器。外腔光束合成系統(tǒng)將四通道激光器的輸出光束通過光柵和輸出耦合器進(jìn)行同軸合成，避免了激光器間的熱量串?dāng)_，適用于高功率應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)峰值功率 0.64W、光束合成效率最高達(dá) 75%，光束質(zhì)量因子 M2 約為 5.5。針對(duì)現(xiàn)代第四代紅外成像導(dǎo)引頭，將激光器作為核心光源，結(jié)合振幅調(diào)制技術(shù)，使其閃爍頻率接近成像傳感器的幀率，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)、不對(duì)稱的炫目光斑，顯著擴(kuò)大炫目區(qū)域并生成不可預(yù)測(cè)的干擾模式，有效干擾導(dǎo)彈追蹤能力。
量子級(jí)聯(lián)激光器經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，從理論走向現(xiàn)實(shí)，關(guān)鍵技術(shù)不斷成熟，已成為中遠(yuǎn)紅外及太赫茲波段的核心光源。有源區(qū)設(shè)計(jì)的持續(xù)創(chuàng)新是激光器性能提升的核心驅(qū)動(dòng)力，從最初的三阱耦合單聲子共振結(jié)構(gòu)，到超晶格、束縛 - 連續(xù)躍遷、非共振抽取等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，再到淺阱、高微分增益及混合有源區(qū)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷解決激光器注入效率、閾值電流、溫度穩(wěn)定性等問題，推動(dòng)輸出功率從毫瓦級(jí)提升至瓦級(jí)，波長(zhǎng)范圍持續(xù)拓展，室溫工作性能顯著改善。
在應(yīng)用領(lǐng)域，激光器憑借波長(zhǎng)可調(diào)諧、響應(yīng)速度快、調(diào)制速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在紅外成像、氣體檢測(cè)、自由空間光通信、定向紅外對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，為各行業(yè)技術(shù)升級(jí)提供了重要支撐，尤其在生物醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防安全等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。國(guó)內(nèi)激光器研究雖起步稍晚，但通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，已在多個(gè)波段和應(yīng)用場(chǎng)景取得突破性成果，部分技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
中國(guó)報(bào)告大廳《2025-2030年中國(guó)激光器行業(yè)市場(chǎng)分析及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》指出，激光器技術(shù)將朝著以下方向發(fā)展：一是持續(xù)優(yōu)化有源區(qū)設(shè)計(jì)，探索更高效的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)一步提升激光器輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率和溫度適應(yīng)性;二是推動(dòng)量子點(diǎn)激光器技術(shù)成熟，利用量子點(diǎn)的聲子瓶頸效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更高電光轉(zhuǎn)換效率和更寬調(diào)諧范圍;三是聚焦高功率、低能耗、寬調(diào)諧、高調(diào)制的性能目標(biāo)，滿足市場(chǎng)對(duì)激光器日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求;四是加速器件小型化、集成化進(jìn)程，降低成本，推動(dòng)激光器技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地，拓展在更多新興領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，為科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)注入更強(qiáng)動(dòng)力。
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