中红外带间级联激光器的研究进展和市场发展前景

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0018

摘要/Abstract

摘要： 中红外波段包含两个重要的大气窗口，同时是众多气体分子的吸收指纹区，因而在气体检测、环境监测、工业控制、医疗诊断、红外对抗等领域具有重要的应用价值。中红外带间级联激光器（ICLs）是一类工作在中红外波段的半导体激光器，有着低功耗、高效率等优点，适用于便携式气体检测等多种应用场景，逐渐成为具备竞争力的中红外光源。全球ICLs市场目前主要由国外企业主导，国内处于产业发展初期，因此，明确市场应用前景、产业发展道路、技术应用方向等对于我国推动ICLs的发展具有重要意义。本文列举了ICLs的主要应用场景，回顾了ICLs的发展历程，详细综述了近几年GaSb、InAs基ICLs和ICLs异质集成的研究进展，在此基础上分析了其市场前景及面临的挑战，并对国内ICLs的发展进行了展望。

关键词: 中红外; 带间级联激光器; 激光技术; 气体检测; 红外对抗

Abstract: Mid-infrared band covers two important atmospheric windows and is also the absorption fingerprint area of numerous gas molecules， making it highly valuable in diverse applications， including gas detection， environmental monitoring， industrial control， medical diagnostics， infrared countermeasures， etc. Mid-infrared interband cascade lasers （ICLs） are a class of semiconductor lasers operating in the mid-infrared band. They have the advantages of low power consumption and high efficiency. They are suitable for various application scenarios such as portable gas detection， and have gradually become competitive mid-infrared light sources. Currently， the global ICLs market is predominantly controlled by foreign corporations， while the domestic ICLs industry is still in its early stage. Therefore， it is of great significance for China to promote the development of ICLs by clarifying the market application prospect， industrial development path and technology application direction. This paper outlines the major application scenarios of ICLs， reviews the development history of ICLs， and research progress of GaSb-based， InAs-based ICLs， and ICLs heterogeneous integration in recent years is reviewed in detail. On this basis， the market prospects and challenges are analyzed， and the development of ICLs in China is prospected.

Key words: mid-infrared; interband cascade laser; laser technology; gas detection; infrared countermeasure

中图分类号:

TN248

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图/表 8

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Molecule	MIR wavelength/μm	Line intensity/（cm^-1/（molecule·cm^-2））	NIR wavelength/μm	Line intensity/（cm^-1/（molecule·cm^-2））	Line strength ratio （MIR versus NIR）
CO	~4.60	~10^-19	~2.33	~10^-21	~100
CO₂	~4.23	~10^-18	~2.00	~10^-21	~1 000
CH₄	~3.27	~10^-19	~1.65	~10^-21	~100
H₂O	~5.94	~10^-19	~1.39	~10^-20	~10
SO₂	~7.29	~10^-19	—	—	—
NO	~5.26	~10^-20	~1.80	~10^-23	~1 000

Molecule	MIR wavelength/μm	Line intensity/（cm^-1/（molecule·cm^-2））	NIR wavelength/μm	Line intensity/（cm^-1/（molecule·cm^-2））	Line strength ratio （MIR versus NIR）
CO	~4.60	~10^-19	~2.33	~10^-21	~100
CO₂	~4.23	~10^-18	~2.00	~10^-21	~1 000
CH₄	~3.27	~10^-19	~1.65	~10^-21	~100
H₂O	~5.94	~10^-19	~1.39	~10^-20	~10
SO₂	~7.29	~10^-19	—	—	—
NO	~5.26	~10^-20	~1.80	~10^-23	~1 000

Industry	Security	Defense	Environment	Healthcare	Transport
Process control	Explosives	Infrared countermeasure	Continuous emission	Blood/proteins	Engine design
Exploration	Harmful material	Infrared countermeasure	Greenhouse	Breath	Fuels
Surveillance	Bio/chemical agents	Infrared countermeasure	Gas/indoor air monitoring	Life science	Vehicle emissions monitoring （VEM）

Industry	Security	Defense	Environment	Healthcare	Transport
Process control	Explosives	Infrared countermeasure	Continuous emission	Blood/proteins	Engine design
Exploration	Harmful material	Infrared countermeasure	Greenhouse	Breath	Fuels
Surveillance	Bio/chemical agents	Infrared countermeasure	Gas/indoor air monitoring	Life science	Vehicle emissions monitoring （VEM）

Year	Institution/key contributor	Key achievement	Performance
1994^［21］	Yang	Concept proposed
1997^［22］	UH & Sandia	First ICL demonstrated	170 K
1997^［23］	UH	Quantum efficiency（> 100%）
1997^［24］	NRL & UH	“W” type-Ⅱ QW
2002^{［25⁃26］}	Yang	First room temperature （RT） ICL （pulsed mode）	3.5 μm； >6 kA/cm²
2003—2004^{［27⁃28］}	JPL		RT pulsed： 1 kA/cm²； CW： 200 K
2008^［29］	NRL	First RT CW lasing	319 K； 400 A/cm² at RT
2009^［34］	OU	First InAs based ICL
2010^［30］	Würzburg University	Shortened injector region
2011^［10］	NRL	Rebalancing internally generated carriers
2012^［12］	NASA	ICL space application	Detected 0.41 ppb methane
2013^{［31⁃32］}	Würzburg University	Cascade period optimization & new waveguide	98 A/cm² at RT； AlGaAsSb waveguide