烟气、尾气等污染气体中所含有的氮氧化物、硫氧化物等成分,对我们的健康有着很大的威胁。需要分辨出它们,监测排放,中红外波段光这时就大有用处了。
对3μm~10μm波段的中红外光有吸收特性的污染物们,通过光学的方法就能被迅雷不及掩耳盗铃之势地监测到,可谓是中红外光一出手,就知污染有没有。
但是,重点来了!完成一套探测系统,光源和探测器都是必要的。在这个如此微妙的波段,要想有一个“两全”的整体配套解决方案,可不是那么容易的事情。虽然不容易,但总还是有的!
量子计级联(QCL)× InAsSb光伏探测器
这两位就是挑起气体监测大梁的干将了。而关于这个气质独特的中红外气体分析解决方案,有5位滨松工程师表示有话要说一说̷̷
Topic 1 “两全”的中红外气体分析解决方案
Q:中红外的光学法分析具有什么特征?
大石:气体分析包括气体色谱分析、质量分析,而这些都需要采集样本后带到实验室进行分析。如果通过使用激光的中红外光学法,则实现在线监测。更加实时和便捷,应用范围也更广泛。
杉山:我们多致力于中红外波段气体的分析,并为这样的应用提供了相应的激光器。在波段3μm~10μm间,包括甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等许多有害气体都能够通过这种方法被测得。
Q:中红外波段的探测器和光源器件开发是否有难以攻破的课题?
杉山:之所以特意选择中红外波段的气体分子为对象,是因为气体分子的吸收具有明显性的优势。从光发射角度来看,对计测也是非常有利的。
饭田:一方面,对于探测器来讲,在中红外波段背景光的增强,也就意味着干扰的出现,对探测有着不良的影响。此外,在该波段想要制作理想的探测器非常困难,并且也很难实现高灵敏度的性能。正因如此,同时提高探测器在中红外波长的灵敏度,以及激光光源的性能非常重要。而能就这两方面进行同步开发,也体现了滨松的技术实力吧。(笑)
大石:尤其是仪器制造客户开发新产品时,若在开发初期不提高精度,那么开发也毫无意义。为此,核心的探测器和激光器必须保持最好的状态。因为对这一点有深刻的认识,目前我们开发的产品才能够在客户那里稳定地、持续地发挥出良好的作用。
Q:完成探测器和激光光源配套的方案有什么困难?方案对于客户有什么价值?
杉山:无论是探测器还是激光光源,都存在很多开发难题,同时挑战两种器件的厂家也鲜有出现。就激光光源来说,因为“1成分=1波长”,故而需要开发与被测对象气体相同数量的激光光源。开发成本大,产品化后的商务风险也很高。
大石 :从客户角度,探测器和光源都来自同一个厂家是具有很大优势的。比如,目前多数的仪器制造商都是从不同厂家分别购买的探测器件和光源。但若开发出来的设备没有达到预期的性能时,由于器件来自不同的地方,就很难知道配合使用过程中的问题所在。
落合:若探测器和光源都是由同一厂家生产的,就可以进行相互评估,找出问题所在,从而提高测量设备的性能,缩短开发设备的时间。利用中红外波段QCL(量子级联激光器)的激光吸收分光是非常新的分析计测技术,今后也将以高灵敏度、高分辨率的优势,成为气体分析的选择并得到普及。
采用QCL(量子级联激光器)和InAsSb光伏测器的极微量气体分析示意图
Topic 2:单一波长振动
量子级联激光器(QCL)和性能稳定的InAsSb光伏光伏探测器
Q:滨松分别为光源和探测器部分提供怎么样的产品?
杉山:光源器件的代表是量子级联激光器(QCL)。它的开发初衷其实是想用于通过呼吸分析来进行“癌症筛查”的应用,这是有我们前任社长昼马辉夫先生提出的。虽然遗憾的是目前仍没有确立这种技术,但QCL在气体分析领域仍然发挥了独特的作用。
饭田 :光探测部分则是InAsSb(铟砷锑)光伏探测器。目前我们提供2种类型的产品,覆盖2.5μm~8μm的波长区域。
量子级联激光器(QCL)
InAsSb光伏探测器
Q:QCL和InAsSb光伏探测器各自有什么特别的性能吗?
杉山:首先说一下QCL。一般的半导体激光器,如果在数百nm中有多个波长发生震动时,光谱带宽变宽,受到多种气体的干扰,测量精度下降。而QCL采用的是DFB(分布式反馈激光器)结构,在内部设置了衍射光栅,可使光谱带宽非常狭小的单一波长振动。但是DFB很难实现产量,在产品化之初,我们为提高产品的合格率投入了非常多的精力。
落合 :在不断提高DFB结构的制造技术同时,我们也推进了内置准直透镜的新产品的开发。新产品从激光芯片射出的光的范围变得更宽,因此与之前的产品相比,客户在设计光学系统时,无需再为激光通过对象物而改变光的形状。
Q:在内部置入准直透镜时,是否也付出了相当的精力?
落合:以往没有准直镜的QCL产品需要客户自己调整光轴。中红外光是不可见光,无论是在光学材料还是特殊的光学系统设计上都是相当花时间的。在QCL封装外部设置透镜的话,因为没有大小的要求,所以是比较容易对准的。但是,若是内置透镜,就需要在狭小的封装空间内,与光轴完成高精度的对准以及固定。同时还必须考虑因光学材料的反射产生的噪音的影响。
杉山:发射光斑大小只在10μm*10μm左右,要将这大约只有头发直径十分之一的光斑与光轴对准,可不是简单的事。而在出货检验时,安装了准直仪的透镜轴如果稍有偏差,都会成为不合格品。
内置准直透镜的新型QCL
滨松QCL获2016年日本激光学会产业“优秀奖”
Q:QCL有什么典型应用?
落合:比如说同位素检测。CO2虽是唯一的物质,但它也存在拥有不同质量数的C和O的“兄弟”同位素,其光吸收波长都各不相同。CO 2和13CO 2的吸收波长同是4.329μm,而12CO 2 的吸收波长是4.328μm。求出同位素之比,就可以知道排出源(植物、土壤、燃烧等)和形成原因,同位素检测可以说是激光QCL的真正的应用价值所在。
Q:探测部分的InAsSb光电探测器又有着什么特点呢?
朝仓:InAsSb光电探测器是含有In(铟)、As(砷)、Sb(锑)的化合物半导体。以前,作为3μm~10μm的红外探测器而得到广泛使用的是MCT光伏探测器、MCT光导探测器。但MCT中使用了RoHS指令中所禁止的汞、镉,所以我们重新开发了不含这些禁令污染物的器件。
饭田:InAsSb光伏探测器的研制,需要同时在晶体生长和制程两个方面进行新的推进。话虽简单,但一方面现有的技术并不适用于新产品,而且还要开发出半导体材料的最佳生长方法和制程。晶体是在作为基板的硅晶片上形成薄膜层来进行生长的,它的品质与器件的特性息息相关,以此,为了得到高品质的晶体必须要不断改良其生长技术。制程则要通过改良设备的结构,来实现产品高灵敏度的性能。不过,最终我们都掌握了两方面的新技术。
朝仓:MCT的个体差异性非常明显,而InAsSb光伏探测器不含汞、镉,且具有稳定性高、偏差小的优点,具有更大的优势。若固定产品规格,则会是非常好的量产化产品。
Topic 3 使用分子吸收的计测的应用范围广
Q:客户对产品有什么样的反应?
大石:有客户对QCL和InAsSb光伏探测器的配套组件进行了评估,显示出的性能渐渐地得到了客户的认可。因为覆盖了气体所含成分所吸收的狭小的波段,恰好显示出了QCL发光波长范围小的优势。我们也可以满足想要生产此类设备的厂家的需求。
杉山:采用分子吸收计测是光学法的关键。不仅是气体,液体和固体也可以利用这样的方法进行分析,比如水分和胆固醇。
Q:今后有怎样的推进计划?
落合:目前的QCL产品覆盖了4μm~10μm波段,我们也在扩充能够覆盖更长波长范围的产品。当然,与之对应的是,我们接下来也将涉及10μm附近的探测器的开发。
朝仓:是的,光探测部分的InAsSb光伏探测器目前涵盖了2.5μm~8μm。我们打算将其延伸到11μm、12μm。
大石:今后,无论是光探测器还是激光光源,都将同时覆盖10μm左右的长波长领域。另外,我们构想着将这两个器件组成一个模块,更加高效地为客户实现气体探测的应用。
来源于:滨松光子学商贸(中国)有限公司
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