中远红外半导体激光器市场有望爆发巨大“新蓝海”

激光是20世纪“四大发明之一”，是继原子能、计算机、半导体之后，人类又一重大发现，2019年全球激光器市场规模达到151.3亿美元。从光谱的波长分布上看，随着激光器波长的变长，技术难度极具增大，但在民用和军用领域具有重大的应用需求和巨大的市场空间。在可见光和近红外激光器市场日趋饱和的背景下，中远红外激光器成为激光器领域有望爆发巨大市场空间的“新蓝海”。

中远红外半导体量子级联激光器是最具潜力的中远红外激光光源，受技术创新驱动，目前成为激光器行业增长最为迅速的领域之一，可广泛应用于高灵敏气体检测、医疗诊断、光电对抗、激光雷达、战场环境监测等领域。9月17日，燕缘科创大讲堂第41期特邀中科院半导体所副研究员翟慎强博士，直播分享了《中远红外半导体激光器技术及产业发展》。以下为分享内容整理，enjoy：

激光全名叫“辐射的受激发射光放大”。第一它是定向发光特性，比如激光笔发射的光束是很明显的一条直线。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。第二亮度非常高，在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯几百亿倍。第三，是颜色特性，激光的颜色取决于激光器一个很重要的参数波长，“红橙黄绿青蓝紫”波长是在逐渐变短的，其中红光的波长最长，而中远红外半导体激光器就是发射比红光波长更长的光。

激光器的基础理论是爱因斯坦的受激辐射理论，就是一个光子经过一个特殊的体系之后会激发产生一个相同的光子实现光的放大。在这个理论指导下，1960年在美国休斯实验室诞生了世界上第一台激光器—红宝石激光器。它需要满足两个条件工作，一是粒子数反转，一是受激辐射。在粒子数反转状态下，经过受激辐射就可以实现光放大产生激光。

激光是20世纪“新四大发明”之一，在切割、通信、测距、雷达等方面都有非常重大的应用。2019年，全球激光器市场是151.3亿美元，但目前主要集中在可见光和近红外波段。我们今天讲的主要是中红外及远红外，波长主要集中在3~5μm和8~14μm波段。这块技术难度非常大，自然界缺乏天然的高效低能量跃迁体系，中远红外难以直接泵浦高效电光发射。在很长一段时间都没有找到一个非常好的技术来实现产品化，因此产业化进程相对滞后。

制造中远红外激光器，还有一个手段是非线性光学，也就是光学参量振荡激光器。通过非线性光学产生中远红外光，往往是多级泵浦系统，效率低、设备复杂、体积大，在实际应用中受到限制。业内也一直在寻求一些新的技术方案，比如化学激光器和自由电子激光器，化学激光器靠化学反应提供能量，产生激光，优点是功率大，能达到兆瓦级别，但体积非常庞大，一般用作激光武器。

2.中远红外半导体激光器核心是材料

中远红外波段激光其实有非常重大的需求。首先，它覆盖两个非常重要的大气窗口，3~5μm和8~14μm，这两个窗口相对衰减比较小，有很多军事上的应用需求，比如红外光电对抗、激光雷达、激光制导、生化战剂检测、空间激光通信等。这块的应用需求，也是推动中远红外激光发展的一个最大源动力。第二是高灵敏度气体传感/物质检测，原理是一个激光打到气体，里面的分子通过振动会对一个特定的光产生吸收，可以通过光减少了多少来计算出气体分子的浓度。中远红外半导体激光器涵盖了气体分子振动/转动的基频吸收峰，基于中远红外激光的光谱技术灵敏度可以提升3~5个量级。在环保、工业气体、公共场所安防、毒品检测、气体泄漏等对检测灵敏度要求非常高的领域有非常大的应用需求。

回到中远红外半导体激光器。世界上第一台半导体激光器诞生于1962年，比红宝石激光器晚了两年，但它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，是目前最实用也最重要的一类激光器。它的原理从上图可以看到，是两种半导体材料堆积到一起后，就可以产生一个阱的结构，在电泵浦或者光泵浦下，它会产生一个粒子数反转，满足粒子数反转和受激辐射条件，实现发光。可以看到，半导体激光器确实非常小，但受限于半导体材料，它的波长扩展到中远红外波段时碰到了困难。铅盐系激光器是可以到2.5~20μm，但需要在低温工作，一般在4K到100K，要得到更长的波长，需要的温度就更低。这样就导致这类激光器某种程度没有实用价值。锑化物激光器，在2~3μm相对性能还可以，但3μm以上性能下降比较严重。

为实现中远红外的波长拓展，人们尝试利用量子阱子带间电子跃迁，子带间跃迁能够人为调整子带间隙，实现波长调节。要实现激光发射有一个粒子数反转的要求，怎么去构建子带间的粒子数反转其实困扰了很长一段时间。1971年，前苏联科学家提出了一个雏形，通过光子辅助隧穿。1986年，Capasso等人提出电子在子带间发生“顺序共振隧穿”的思想，在光子辅助上得到了一定改善，但是还没有达到粒子数反转。在1992年，Capasso等人设计进一步优化，他们通过量子结构设计了一个反射器，对于实现粒子数反转具有重要意义，这个是半导体激光器一个里程碑意义的发展。它的材料设计是量子力学，材料制备是有千层的纳米级材料，是一个精巧的理论设计加精密的材料制备得到的一个产物。

同时，卓以和（A.Y. Cho）为首的材料专家们在分子束外延 (MBE) 技术上取得突破，使制备这种界面平滑、组分均匀地多量子阱结构成为可能，为量子级联激光器的产生奠定了技术基础。最终，1994年在贝尔实验室，诞生了第一支中远红外半导体量子级联激光器。这项技术的关键和核心是材料，材料是由上千层纳米的半导体薄层组成，生长基本精度要求高，存在比较大的技术壁垒。

1994年第一只激光器是在10k下激射，波长为4.6μm，输出功率仅8mw。受应用需求驱动，经过30年的迅猛发展，目前已经可以实现3.65—300μm波长覆盖，最高输出功率达到5W，低功耗单模器件功耗小于1W，功率、功耗、稳定性等器件性能达到实用化水平，产业化也在逐步推进。

中远红外半导体量子级联激光器应用分军用和民用两个部分。军用现在推动比较快的是在红外光电对抗领域。由于中远红外半导体激光器，输出功率大，兼具半导体激光器尺寸小、重量轻、泵浦方式简单等优点，在红外对抗领域展现出巨大的优势。目前全球已有不少于五家公司可以提供成熟产品化的模块供应，美国走在前面，基于中远红外半导体激光器的定向红外对抗系统技术成熟度已达7级，已经在黑鹰直升机有超过800多件的装备。可以讲，国外已经形成了大功率中转红外激光器的产品体系和完整产业链，但国内相关的基础研究团队非常少，高功率器件和应用技术发展水平仍与国外存在非常大的差距，商业化产品更是处于一个空白阶段。

民用领域主要是气体传感，对气体分子、爆炸物、危险品、毒品等的高灵敏检测。对应的目标市场有碳排放的环境污染、煤矿矿区监测以及公共安防等领域。2020年气体检测设备市场规模超过300亿元，预计2028年市场规模达到588亿元。中国仪器仪表行业公布的最新数据显示，2021年中国仪器仪表的总产值达到万亿级别，当然这个指系统的应用，激光光谱气体检测只是其中一种方案，由于其抗干扰能力强，灵敏度高，以及可进行遥测的优势，很有希望成为这些装备的一个替代技术得到快速发展，这为中远红外半导体激光产业发展提供了一个非常大的机遇。民用气体传感，以单模激光器芯片和宽调谐外腔激光器模块为主，国外目前有近20家供货商，将近一半分布在美国。国内目前还没有一家具有自主知识产权专门针对这项技术产业化的公司，大部分代理国外产品为主。

我们团队依托于中国科学半导体所，中科院半导体所是中国半导体技术发展的摇篮，1960年成立，目前发展成了一个集半导体、物理、材料、器件研究及其系统集成应用一体的国家级半导体科学技术的综合性研究中心。王占国院士和刘峰奇研究员是我们这个团队的带头人，也是这项技术最早的发起者。

我们团队的研究比国外晚了两年，1996年开展了量子级联激光器的研究工作，历经二十多年的努力，逐渐形成了从材料设计、制备到器件制作的全链条覆盖，具备3.5-16.5μm和THz系列激光器的设计定制能力，部分研究成果达到国际领先水平。我们研制的低阈值、低功耗单模可调谐面发射单模激光器，它的低温域值可达到39毫安，这个目前是一项世界纪录。我们还研制了一系列宽调谐中远红外外腔半导体激光器。另外，我们在长波、甚长波的中远红外领域有一些研究成果，峰值功率能达到0.8W以上。

目前由于市场需求相对比较小，导致激光器的价格比较高。激光器先降价，推进产业化？还是产业化发展，推进激光器的降价？这是一个矛盾的问题。我们的思路是以激光器芯片为核心打造中远红外产业链，以产业推动激光器成本价格下降，再反过来推动产业发展。目前产业化推进主要以培育和拓展量子级联激光器用户为主，经过多年发展已具有50余家用户。我们也想通过这50家客户寻求一个爆发点，来推动整个行业的进步。

以一氧化碳传感器为例，主要针对煤矿行业安全监测防火预警的重大需求，也可以用于储能电站。如果每个储存站需要两到三套一氧化碳的传感器，全国的用量可能在百万量级。

另外从产业化思路来讲，可能从产业链的一个点去拓展。这项技术可进行应用的点非常多，现在主要面向一些应用比较紧迫，或者说比较有优势的行业布局一些应用。举个例子，比如温室气体检测，大气里面的温室气体是非常微弱的一个变化量，对气体检测的灵敏度、精度要求非常高，碳达峰碳中和的监测和减排评估是一个大的政策需求。“十四五”期间，建成温室气体监测网点位数量近1800个，按照现在的市场价格预算，每个站点120万元，总量约21亿。目前这块的产品基本依靠进口，由美国的Picarro和LGR公司提供，国内还没有自主的产品。我们现在在跟一些公司合作开发产品样机，成本可能控制在30万到40万，进口的大概在70-80万，有很大的成本优势。

最后简单总结一下。中远红外半导体激光器是中远红外产业发展的一个关键芯片和基础，能够撬动中远红外产业。从国际上来说，军用市场发展非常迅速，初步形成了一个完整的产品和产业链。民用市场全球范围内基本处于起步阶段，一个市场爆发的前夕，国际上有众多的企业进行了布局，也从一个侧面反映了这项技术未来的前景。

总体来讲，国内研究的水平可能跟国外差不了太多，但在产业化发展方面，确实有非常大的滞后。我们也希望能够依托我们实验室的这项技术，积极推动产业化发展，推动国内中远红外整个产业的发展。