简而言之，它是一种可调谐的中红外激光器 - 但让我们更详细地了解一下。

量子级联激光器是一种异质二极管激光器，与任何二极管激光器一样，辐射是通过对其施加电压来产生的。与仅产生单个波长的经典均质二极管激光器相比，QCL 可以发射中红外和远红外波长范围内的光。为此，将 QCL 放置在所谓的外腔中，其中可以通过倾斜光栅来选择发射波长。此过程称为 “调整”。

在 QCL 中，不同的半导体层相互堆叠以形成二极管。半导体激光管的总长度达到几毫米，尽管每层只有几纳米厚。根据各个层的厚度，一堆层可以形成“活性区”或掺杂电子注入器。通常，QCL 由一系列活性区域和注射器对组成。

基本上，QCL 光谱利用了量子物体（例如电子）必须在势阱中采用离散态这一事实。这些势阱以及其中量子物体的能量可以通过 QCL 的异质半导体结构的各个层的设计来定义。因此，通过专门设计 QCL 的每个有源区域，我们可以确定在电子跃迁期间将发射哪个波长。

如果 QCL 用于宽光谱范围内的光谱学，则必须相应地调整活性区域的设计。例如，所谓的“绑定到连续谱”设计将在宽光谱范围内创建准连续的光子光谱。通过将 QCL 放置在外腔中，可以将激光器的发射波长设置为有效区域光谱内的任何波长，从而创建可调谐的中红外光源。

在 QCL 中，辐射不是由来自导带的电子与价带空穴的经典复合产生的。如果对 QCL 施加适当的偏置电压，半导体导带中的电子将开始“级联”穿过有源区域和喷油器堆栈。每个电子将在有源区域执行激光跃迁，从而产生一个中红外光子。

由于电子在每次激光跃迁后仍保持在导带中，因此每个电子将产生多个光子，每个光子对应 QCL 的每个有源区域。近年来，可调谐 QCL 的平均输出功率增加，可访问的光谱范围显着扩大。其核心的性能改进基于改进的量子力学计算，这些计算描述了有源区域和注入器中电子的能量状态。

要了解为什么 QCL 为红外光谱学的激动人心的道路打开了一扇新的大门，我们必须首先仔细研究黄金标准：FT-IR。请记住，量子级联激光器与用于 FT-IR 的传统热源有着根本的不同。

传统的热源在很宽的光谱范围内发射光子。因此，每个波长的光子数量非常小，因此，用于 FT-IR 光谱的检测器必须高度灵敏。

特别是在显微镜中，这通常需要液氮进行冷却。此外，探测器需要非常快才能在光谱仪中记录干涉图。另一方面，QCL 将在大致相同的波长上发射所有光子。这意味着 QCL 的光谱功率密度通常比热源高几个数量级。

这种准单色性质允许使用相对较慢、未制冷的探测器，这不适合 FT-IR 光谱。然而，当与 QCL 结合使用时，我们可以利用这些检测器的完整动态范围并检测单个波长的信号，从而获得出色的信噪比。

这让我们回到了最初的问题：为什么使用 QCL 进行光谱分析？
当然，更好的信噪比是一大优势，但最重要的是，与 FT-IR 显微镜不同，QCL 显微镜不需要记录化学图像的每个像素的完整红外光谱。

在某些情况下，例如实时红外成像，这使得基于 QCL 的仪器比基于 FT-IR 的仪器效率高得多。

什么是 QCL 显微镜？

与传统的 FT-IR 显微镜一样，QCL IR 显微镜允许通过获取空间分辨光谱信息对显微样品进行化学成像。但是，它无需花费时间在每个测量点捕获完整的红外光谱，而是使您能够专注于特定的光谱范围，从而将成像速度提高一个数量级。

简而言之，当您用量子级联激光器替换标准宽带热源和用于 FT-IR 的光谱仪，并将成像 FT-IR 显微镜的 N2 冷却 FPA 探测器切换为室温微测辐射热计阵列时，您就会得到一台 QCL 红外成像显微镜。

并非每台 QCL 显微镜都是相同的

宽视场设置是 QCL 显微镜的各种设计之一。在这里，立即照亮更大的样品区域，然后通过微测辐射热计阵列检测透射或反射的辐射。由于 QCL 光源提供更高的光谱功率密度，我们可以使用这些探测器以视频帧速率采集红外图像。

测试样品的 IR 图像，用于说明相干伪影的出现。左图：强大的天然相干性导致测试颗粒周围出现环状伪影。右：硬件相干性降低允许收集美丽的无相干 IR 图像。

但是，当然，将 QCL 技术应用于红外显微镜会带来一些技术挑战。首先，激光源的相干性导致了所谓的相干伪影。红外图像和光谱中的这些条纹和斑点通常被认为对化学成像有害。事实上，将样品的化学信息与描述散射光子相位关系的物理信息分开并非易事。

然而，布鲁克已经通过 HYPERION II 解决了这个问题（以及更多）。终于可以在任何测量模式下收集美丽、无相干伪影的化学红外图像。

QCL 显微镜的优势：

由于这两种技术的互补性，基于 QCL 的红外显微镜可以显著增强 FT-IR 微光谱。尽管现代 QCL 覆盖了整个光谱指纹区域，但尚无法访问完整的 Mid-IR 区域。这一点尤其明显，因为宽光谱范围是 FT-IR 的固有优势，而扩展 QCL 系统的范围需要付出巨大的代价。

另一方面，FT-IR 显微镜的主要缺点仍然是采集速度有限，而这对于基于 QCL 的宽场设置来说不是问题。通过结合这两种技术，可以避免缺点，并且它们的优点相结合可以提高两者的效率。

这正是科学家需要在真实场景中仔细比较 FT-IR 和 QCL 的原因。这是可持续地转移和改进已建立的 IR 应用程序的唯一途径。同样，新的 QCL 方法必须经过 FT-IR 验证，以使其更加可靠和稳健。

QCL 显微镜的特点：

1. 通过聚焦特定光谱范围
   （例如单个吸收峰）来缩短采集时间

2. 单波长实时红外成像（以视频帧速率）

3. 通过化学数据实时选择 ROI，而不仅仅是可视化

4. 超快速创建具有高化学对比度的大型 IR 概览图像

QCL 显微镜的局限性：

1. 与 FT-IR 相比，光谱范围有限（只能访问 MIR）

2. 高功率红外激光发射对眼睛和皮肤有害。这就是为什么布鲁克开发了一种带有安全联锁装置的 1 类激光外壳，以保护用户免受有害激光辐射。

关于 QCL IR 的常见问题

Q

什么是激光？

A

激光是一种发射由受激发射产生的相干辐射的设备。（激光：通过受激辐射发射进行光放大）

Q

QCL 代表什么？

A

QCL 代表量子级联激光器。

Q

什么是量子级联激光器？

A

量子级联激光器 （QCL） 是一种异构二极管激光器，可以发射一系列波长的辐射，特别是在电磁波谱的中红外 （MIR） 区域。

Q

QCL 可以做什么？

A

QCL 可用作红外光谱中的红外辐射源。这种 QCL 红外仪器不需要干涉仪，但光谱范围有限。

Q

什么是 QCL 红外显微镜？

A

QCL IR 显微镜可用于创建显微样品的化学图像。它获取化学图像每个像素的光谱信息，揭示样品化学成分的分布。

Q

什么是 QCL 红外成像？

A

对于 QCL 红外成像，QCL 显微镜设计为宽场设置，其中微测辐射热计阵列以视频帧速率记录显微镜样品的完整图像。通过使用阵列检测器，可以实现非常高的数据采集速率。

Q

QCL 比 FT-IR 好吗？

A

它 完全取决于具体的实验，因为两种技术都有 独特的优势和限制。虽然 QCL 的光谱范围有限 但提供高成像速度，FT-IR 提供完整的 MIR 光谱 范围。

Q

QCL 适用于哪些地方？

A

目前，它们最常用于 QCL 红外显微镜、光谱仪和痕量气体检测系统。

Q

我可以将 FT-IR 和 QCL 结合使用吗？

A

布鲁克很快将把这两种技术无缝集成到一个仪器中。通过这种方式，您可以通过避免任何限制来获得这两个好处。

内容来源：www.bruker.com