一、概述

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器，弥补了此前常规半导体激光器的发射波长主要在可见光和近红外波段的不足。这类系统以其优异的宽调谐输出光谱和高集成度，在环境监测、医疗诊断和工业检测等领域得到广泛应用。

此前，世界上能够生产宽谱调谐QCL的公司仅有几家，且均为外企。在这一领域，我国还存在着技术空白，加之近几年严峻的外贸形势，宽谱调谐中红外QCL系统的国产化迫在眉睫。宁波海尔欣光电科技有限公司立足于当下国际形势和市场的实际需求，自主研发出了一套宽谱调谐中红外QCL系统——【QSweep系列】，为国内外市场提供高质量、高性价比的宽谱调谐激光源。

QSweep系列以“脉冲”模式运行，无需外部冷却即可在室温下运行。该系统配有一到四个波长调谐连续的中红外激光器，可以远程、非接触、高效地进行中红外波段的光谱测量。

二、QSweep系列基本原理技术原理

①：外腔量子级联激光器

量子级联激光器是基于半导体耦合量子阱子带（一般为导带）间的电子跃迁所产生的一种单极性光源，其工作原理与传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制不同。

具体的说，QCL是通过量子阱激光器（QWL）来控制二极管的发射波长的。在 QCL 中，通过利用数十甚至数百个量子阱将发射波长与带隙能量完全解耦，这些量子效应被发挥到了极致。图 2（a）显示了单个电子级联穿过量子阱结构并发射多个光子的过程，使得QCL 可以产生长波长的高功率激光。而QCL芯片的基本结构如下图 3（b）所示（仅显示了一次“有源区→注入区→有源区”的循环）。

技术原理②：外腔结构

然而，由QCL的工作原理可知，当QCL的谐振腔内的某个模式起振时，其超快的增益恢复时间会使得激光器出现空间烧孔效应——激光光束在‌谐振腔内往返传播时，通过受激辐射使得具有某一频率的‌气体分子的反转粒子数减少，导致增益曲线在该激光频率处下降，形成了一个“烧孔”，还会导致激光器出现多模输出。

为了解决这一问题，通过引入外腔结构，创造了一种新的外腔量子级联激光器（EC-QCL），目前主要由两种类型的光栅EC-QCL，一种为Littrow型EC-QCL，另一种为 Littman 型 EC-QCL，如下图4。

QSweep系列产品基于Littman 型 EC-QCL的原理进行改进，调整平面镜和光栅之间的长度和角度，使1级衍射光经平面镜反射回QCL 中，此时光在平面镜和QCL的后腔面构成的谐振腔中来回振荡。并且通过旋转平面镜的角度，可以对激光的输出波长进行调谐，这样作为输出光的0级衍射光的方向将保持不变，提升了EC-QCL在众多应用场景中的泛用性。

技术原理③：波长闭环调控方法

EC-QCL 的输出波长与平面镜的旋转角度呈正相关。而平面镜旋转角度由电机控制，施加不同大小的电压，平面镜的旋转角度会发生改变。然而，由于电机的电压准确性等原因，往往在同一电压点下，平面镜旋转角度的旋转角度不尽相同。这个不足使得输出波长的误差达到了±3nm，而这在一些高精度的光谱应用中是不可接受的。为了解决平面镜旋转角度重复性较低的问题，QSweep系列产品中创造了一种波长闭环调控方法，通过输出波长的实际值和标定值的不间断对比，可以得出平面镜的旋转角度是过大还是过小，从而使得电机进一步调整电压，谐调旋转角度至理论位置。

三、QSweep系列核心参数

宁波海尔欣研发的QSweep系列宽谱调谐中红外激光光源是一种改进的EC-QCL，通过设计合适的外腔结构和波长闭环控制方法，可以收集用于工业和环境传感应用的高分辨率光谱数据。以下是QSweep系列的部分核心参数：

可见，QSweep系列具有窄线宽、输出光功率高（≤500mW），波长调谐范围宽（＞200cm-1）和较高的扫描速率（＜20000cm-1/s）的优势，且具有优异的重复性和准确性外。此外，QSweep系列还可指定输出波长，实现波长的实时记录和阶梯扫描。

四、QSweep系列应用场景

QSweep系列宽谱调谐激光器的问世将为国内中红外光谱研究注入新的驱动力，为高精度光谱的应用带来无限可能：

制药和生物医学领域

加速药物研发

为药物研发提供高精度光谱洞察，助力药企实现合成过程原位监控、杂质快速溯源及制剂稳定性评估，显著缩短研发验证周期。

例如：凭借强大的波长调谐能力和扫描速度，QSweep系列可以快速获得区域样品的红外光谱，通过数据处理可以快速获取片剂中活性药物成分 (API)的分布情况。

中红外光谱细胞组织成像

为前沿领域的化学成像和光谱分析提供定制化激发光源，实现更少的仪器交互完成样品区域快速、详细的成像，降低成本、缩短分析时间。

例如：在获得细胞、组织等其生物材料的红外光谱数据，经数据处理得到高质量成像后，可以快速解析样品活性并发现识别基质中的杂质。

生物标识物定量分析

基于中红外分子指纹谱段，实现血清/组织液中疾病标志物的无标记检测，筛选和提纯蛋白质，助力精准医疗诊断效能升级。

例如：酰胺I带(1600-1700cm-1)是蛋白质红外光谱中信息量最大的区域，通过分析可以确定蛋白质二级结构的主要构象(α-螺旋和β-折叠）。

其他领域

大气环境监测

为痕量气体监测提供宽谱高灵敏光谱解析能力，快速响应，实现多组分温室气体的同步测量，为 “双碳” 目标下的精准治污提供国产化光学基座。

例如：通过单台QSweep系列激光器单次扫描工厂放废气，获取宽谱范围内多条特征吸收谱线，实现 CH₄、N₂O和CO₂三组分的同步检测和污染判断。

微塑料检测

为各种场景下的微塑料污染研究提供光谱鉴定能力，通过中红外特征吸收谱精准识别微塑料成分。结合深度学习算法，可进一步推导出微塑料种类和数量。

例如：宽谱连续扫描同步捕获多个特征吸收峰，与光谱数据库对比判断样品中PP、PE、PVC等聚合物成分。该方法适用于海水、土壤等自然环境，甚至是化妆品、奶粉等各种生活用品中的微塑料检测。

材料鉴定

宽谱中红外光谱技术赋能工业质检，实现异物溯源、失效分析及真伪鉴别，高分辨率解析复合材料成分，识别材料表面外来颗粒和杂质。

例子：凭借以宽谱中红外光谱扫描技术，QS系列可对多层薄膜材料进行功能层和粘合层的鉴定和厚度检测，快速识别多层薄膜中的缺陷，鉴定成分真伪。

五、结论

作为国产宽谱调谐量子级联激光器的突破性成果，QSweep系列的性能与国际尖端产品持平。配合可靠的光谱数据服务，QSweep系列正以更高的性价比和快速响应的本土化优势，成为替代进口宽谱调谐激光光源的首选解决方案。