手持式红外照明量子级联激光器

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室、低维半导体材料与器件北京市重点实验室，在科技部、国家自然科学基金委及中科院等项目的支持下，经过努力探索，制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品。　　太赫兹(THz)量子级联激光器是一种通过在半导体异质结构材料的导带中形成电子的受激光学跃迁而产生相干极化THz辐射的新型太赫兹光源。半导体材料科学重点实验室经过多年的基础研究和技术开发，目前推出系列太赫兹量子级联激光器产品。频率覆盖2.9~3.3 THz，工作温度10~90 K，功率5~120mW。　　太赫兹波介于中红外和微波之间，是一种安全的具有非离化特征的电磁波。它能够穿透大多数非导电材料同时又是许多分子光学吸收的特征指纹光谱范围。它的光子能量低(1 THz对应的能量大约4meV)，穿透生物组织时不会产生有害的光电离和破坏，在应用到对生物组织的活体检验时，比X光更具优势。它的波长比微波短，能够被用于更高分辨率成像。THz波在分子指纹探测、诊断成像、安全反恐、宽带通讯、天文研究等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。半导体研究所制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品

近日，睿创研究院及睿创光子团队在中红外带间级联激光器（Interband cascade laser，ICL）的研究取得重要进展，相关团队实现了高性能、室温连续工作、多个激射波长的带间级联激光器系列，结合分子束外延技术，在InAs衬底上生长带间级联激光器材料，制备的窄脊器件室温激射波长接近4.6μm和5.2μm。目前大部分带间级联激光器生长在GaSb衬底上，而睿创团队报道的带间级联激光器生长在InAs衬底上，波导包层由InAs/AlSb超晶格和高掺杂的InAs层构成。相比于常见的GaSb基带间级联激光器，InAs基带间激光器在较长波长处（例如长于4.5μm）具有更低的阈值电流密度。（a）4.6μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在20℃-64℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在20℃-64℃之间的连续电流-电压-功率曲线对于4.6μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为292A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件的连续工作温度可达64℃，室温输出功率为20mW；在相近波长处为目前报道的最高连续工作温度。对于5.2μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为306A/cm²；2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件最高连续工作温度为41℃，室温输出功率为10mW；其中阈值电流密度在类似波长为报道的最低水平。相关论文“High-temperature continuous-wave operation of InAs-based interband cascade laser”和“InAs-based interband cascade laser operating at 5.17 μm in continuous wave above room temperature”分别发表于Applied Physics Letters 和IEEE Photonics Technology Letters。（a）5.2μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在15℃-41℃之间连续激射光谱；（b）同一器件在15℃-41℃之间的连续电流-电压-功率曲线带间级联激光器是基于能带工程和量子力学产生激射，技术含量很高并且研制难点众多，是国家纳米和量子器件核心技术的重要体现，目前和量子级联激光器（Quantum cascade laser，QCL）并列为重要的中红外激光光源，在环境监测、工业控制、医疗诊断和自由空间通信等领域具有重要的应用价值和科学意义。带间级联激光器的原始概念由美国俄克拉荷马大学的杨瑞青教授（Rui Q. Yang）于1994年首次提出，目前基本上都采用近晶格匹配的InAs/GaSb/AlSb三五族材料体系来构造，有源区大多为InAs/GaInSb二类量子阱，其能力可覆盖从中红外到远红外的波长范围。带间级联激光器结合了传统半导体二级管激光器和量子级联激光器的优势，与同样能覆盖中红外波段的量子级联激光器相比，具有更低的阈值功耗密度和阈值电流密度，这种极低功耗的优势在一些需要便携和电池供电设备的应用中显得非常重要。目前全球带间级联激光器市场仍由国外企业占据主导地位，国内仍处于产业发展的初始阶段。本文报道的这两项工作标志着睿创光子在带间级联激光器的外延设计和器件制备等多个方面同时达到了较高的技术水平，成为掌握高性能带间级联激光器技术的企业。该工作也为后续单模可调谐的DFB带间级联激光器的研发和量产打下了坚实的基础。睿创光子（无锡）技术有限公司是烟台睿创微纳技术股份有限公司的控股子公司，聚焦III-V族光电子器件、硅基光电子器件等光子芯片技术研发与产业化。

中红外QCL成像有助于光谱学家分析组织切片和进行药物分析，它还能进行呼气分析实现早期疾病诊断，并支持实时无创血糖监测。”昕虹光电为山西大学研究组呼气氨气检测项目，提供了来自瑞士Alpes Lasers的QCL光源以及配套的专用激光发射头、温控+电流驱动器。我们的应用科学家在QCL应用于医疗呼气检测方面，有丰富的学术研究经验。若您有相关需求，欢迎与我们联系！原文标题：Quantum Cascade Lasers Boost Life Science Research作者：PANAGIOTIS GEORGIADIS, OLIVIER LANDRY, ALEX KENIC, and MILTIADIS VASILEIADIS (Alpes Lasers)来源：Photonics.com编译：昕甬智测实验室1971 年 10 月，Rudolf F. Kazarinov和Robert A. Suris 提出了“在具有超晶格的半导体中放大电磁波的可能性”[1]。科学界花了20多年的时间来构建利用这一原理的器件。1994年，贝尔实验室的Jérôme Faist及其同事发表了基于子带间跃迁（量子阱之间导带中的激发态）的激光源工作原型和相关研究结果[2]。Faist后来与同事在瑞士共同创立了Alpes Lasers。图一 量子级联激光器 (QCL) 的典型光束轮廓（来源：Alpes Lasers）自量子级联激光（QCL）光源商业化以来，已经过去了20 多年。使用热电冷却在室温下运行的QCL现在已无处不在。这些激光器开创了中远红外光谱的新时代。近年来，QCL在稳定性、功率、光谱范围、可调性和整体性能方面取得了许多进步，其成本也逐渐被工业界所接受。此外，带间级联激光器（ICL）是另一种中红外激光器，与QCL一样，ICL中的每个注入载流子都会产生多个光子。ICL 的工作原理是基于II型异质结和级联带间跃迁（电子带之间的转移），不同于QCL的子带间跃迁。ICL在较短波长上是QCL的有效补充，通常在3.5 µm波长范围内，ICL的性能优于QCL。中远红外光谱的发展为光谱学领域创造了各种各样的应用场景，一些利用相干中红外光源的新应用得以在医学和工业中开展，并获得许多研究成果。就像1970年代初期傅里叶变换红外（FTIR）光谱设备取代色散光谱仪一样，QCL可以预见地正在逐渐取代笨重的FTIR设备。在QCL的相关研究中受益匪浅的几个关键领域，包括生命科学中的生物学、病理学和毒理学，以及医疗保健和制药行业。随着其激光功率的增加（允许穿透更厚的样品）、稳定性和紧凑性（允许它们部署在临床环境中），基于QCL的光谱分析，正迅速成为医学研究的先进技术。中远红外激光用于生命科学和医学领域的几个例子，像是薄组织切片的中红外成像、基于激光光谱学的液体或气体样品分析、生物标志物监测、病原体检测、药物开发分析等应用。QCL 使各种各样的医疗应用得到了改进，从样本的实验室分析到改变游戏规则的常规医疗程序，例如无创血糖监测。尽管取得了很大进展，目前生物医学界尚未充分发挥QCL技术的潜力。医学影像红外成像已经为医学领域带来重大进步。多光谱和高光谱成像技术已被证明对生物分子研究和组织病理学非常有效，并且在测试时间和准确性方面，使用成像来促进医疗干预变得越来越重要。 目前，我们已经有了成熟的无创红外成像技术，利用红外光谱分析组织和细胞。这些技术当中的一部分使用背反射光（主动）构建图像，其他的方法依赖检测组织由于其温度而发射的红外辐射（被动），由红外探测器感测热发射并产生组织中发射分布的热图。此外，在红外中使用标记成像（labeled imaging）[3]已经被视为一种成熟的常规技术存在[4]。电磁频谱中红外波段的使用在临床诊断中的应用范围广泛，从高分辨率和深度分辨的组织可视化，到温度变化（热成像）评估。此外，中红外光谱体外映射在组织和细胞分类的应用取得了显着进展——例如，用于识别癌细胞[5]。然而，在使用中红外光子学进行此类分析，尤其是无标记细胞和组织分类方面，还存在巨大的潜力[6]。大多数商用中红外成像设备通常受限于有限的波长能力（使用单模激光源），或是低功率导致较低的信噪比（如FTIR显微镜）。每种设备通常都是为特定的医学成像应用量身定制的，因此只针对某特定光谱范围做开发。相较之下，来自维也纳工业大学的Andreas Schwaighofer及团队在2017的一篇论文《Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy》证明QCL具有明显的优势：QCL可以针对特定目的进行定制，或者同时满足多种需求。最近的研究计划旨在通过进一步扩展QCL的能力，以开发功能更全面的中红外成像设备。研发人员希望同时达到FTIR设备的光谱可调性和基于多激光器外腔（External-Cavity）配置的更强信号激光源，在外腔配置中,组合使用了多达六个宽增益激光器。这些器件在可调谐性、精度和功率方面为中红外激光源提供了前所未有的能力。呼气分析分析呼出空气的科学，也称为呼吸组学（breathomics）或呼气组学（exhalomics），正在迅速成为医生和研究人员的主流应用。中红外激光特别适合这一新兴领域，因为人呼吸中存在的大多数挥发性有机分子在中红外光谱中具有明显的吸收指纹。针对呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）以及特定气体（例如甲烷、丙酮、CO2 和其他受关注的化合物），可以使用激光光谱分析技术对其进行浓度检测。这些物质是生物标志物，可以向医生传达有关个人健康的大量信息。例如：VOC成分可以揭示炎症，丙酮水平可以提供关于一个人的代谢活动的信息（常用于肥胖研究和监测代谢紊乱），高水平的一氧化氮可能表明哮喘，而一氧化碳水平可以作为一种氧化应激或呼吸系统疾病的生物标志物。在过去的10年中，几个研究小组一直在探索呼吸组学，某些医疗初创公司正在利用QCL和 ICL分布式反馈（DFB）激光源，对人或动物呼吸进行气体传感。新的激光源例如QCL阵列和光束合并的DFB QCL等技术，将使多组分的呼吸分析成为可能，为医生提供更强大的诊疗工具。图二 基于QCL的呼气检测仪器液体生物标志物分析尽管QCL光谱通常与气体传感有关，但QCL也是分析液体的重要工具。由于拥有更高的激光功率，QCL允许分析更厚的样品和更复杂的基质，使其适用于生命科学中的许多应用。此类应用之一是基于激光的血液分析，它最近受到了很多媒体的关注，特别是在实时无创监测血糖水平方面。这种开创性的方法使用中红外激光源，可以实时经过皮肤透过光谱来监测葡萄糖。这种方法可以减轻糖尿病患者因使用针头定期检查血糖水平而带来的压力。此外，中红外集成光子学进一步改进了现有的小型化、可穿戴设备，能够执行连续测量，为医生提供可用于个性化治疗的数据。中红外激光在血液分析中的一项新用途是检测神经退行性疾病，例如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。通过专注于可在中红外光谱中检测到的一些特定生物标志物[8]，医生可以使用 QCL光谱分析技术，远在可识别的症状出现之前，提前8年预测疾病的未来发作。起始于疾病早期的药物治疗会更有效，因此这些信息很有价值，甚至可能促进疾病的预防。尿液是另一种可以分析生物标志物的液体生物样本（图三）。因为样本易于获取且相关检测的实验室技术丰富，尿液分析被广泛使用，最重要的是，尿液中存在的细胞成分、蛋白质和各种分泌物反映了一个人的代谢和病理生理状态（图四）。医生要求进行尿液分析的原因有很多，包括进行常规医学评估、评估特定症状、诊断医疗状况（例如尿路感染和未控制的糖尿病）以及监测疾病进展和对治疗的反应（例如肾脏疾病和糖尿病）。图三 QuantaRed Technologies基于QCL的尿液分析仪，具有两个由Alpes Lasers开发的组合DFB QCL。该分析仪是在NUTRISHIELD项目中开发的，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：QuantaRed Technologies GmbH）图四 Alpes Lasers开发的DFB QCL合路器。该组件已成功集成到尿液分析仪和基于光子学的检测模块中，用于分析水质，特别是用于检测细菌。该模块是在WaterSpy项目中开发，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：Alpes Lasers）使用QCL的分析设备能够根据中红外光谱分析结果直接量化尿液中的主要成分，如尿素和肌酐。QCL技术还可以检测酮类、葡萄糖和蛋白质。这些生物标志物的浓度升高可以作为各种疾病和病症的早期指标（图五）。图五 多激光系统中光束组合器的各种元件，包括高热负荷外壳中的 QCL(L和R)、反射镜 (M)、窗口 (W)、二向色分束器 (P) 和调节螺钉(x) 和 (y)（来源：Alpes Lasers）结语随着QCL领域的高速发展，包括多激光器外腔、超宽谱可调设备，或者在不久的将来，新开发的QCL频率梳的应用，可以期待的是，QCL将为生命科学领域带来更大规模的进展。参考文献1. R.F. Kazarinov and R.A. Suris (1971). Possible amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice. Sov Phys — Semicond, Vol. 5. pp. 707-709.2. J. Faist et al. (1994). Quantum cascade laser. Science, Vol. 264, Issue 5158, pp. 553-556.3. D.M. Gilmore et al. (2013). Effective low-dose escalation of indocyanine green for near-infrared fluorescent sentinel lymph node mapping in melanoma. Ann Surg Oncol, Vol. 20, Issue 7, pp. 2357-2363.4. Quest Medical Imaging (2021). Applications of the Quest Spectrum fluorescence imaging system, www.quest-mi.com/promising-applications.5. S. Pahlow et al. (2020). Application of vibrational spectroscopy and imaging to point-of-care medicine: a review. Appl Spectrosc, Vol. 72, pp. 52-84.6. S. Mittal and R. Bhargava (2019). A comparison of mid-infrared spectral regions on accuracy of tissue classification. Analyst, Vol. 144, Issue 8, pp. 2635-2642, www.doi.org/10.1039/c8an01782d.7. A. Schwaighofer et al. (2017). Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy. Chem Soc Rev, Vol. 46, Issue 7, pp. 5903-5924.8. A. Nabers et al. (2018). Amyloid blood biomarker detects Alzheimer’s disease. EMBO Mol Med, Vol. 10, Issue 5, p. e8763, www.doi.org/10.15252/emmm.201708763.昕甬智测实验室隶属于宁波海尔欣光电科技有限公司，专注于中远红外激光光谱检测技术（QCL/ICL+TDLAS），致力推动激光光谱技术的产业化应用，以激光之精，见世界之美。