红外光源波长检测

此次，滨松光子学株式会社在日本国家研究开发法人新能源与产业技术开发组织（NEDO）主办的“实现IoT社会的创新传感技术开发”项目中，利用独自的微机电系统(MEMS)技术和光学封装技术，成功开发出世界上最小尺寸的波长扫描量子级联激光器(QCL)，其体积约为传统产品的1/150。通过将其与日本产业技术研究所开发的驱动系统结合，实现了高速操作和外围电路简化，同时作为光源安装在分析设备上，使可便携的小型分析设备的开发成为现实。在本开发项目中，我们提高了二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）的探测灵敏度以及设备的维修性，目标是实现在火山口附近对火山气体成分的长期和稳定的检测。此外，它还可以应用于化工厂和下水道中有毒气体的泄漏检测和大气测量等。图1 世界上最小尺寸的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150概要在火山爆发的前几个月，火山气体中的二氧化硫（SO2）或硫化氢（H2S）等浓度会开始逐渐上升，因此对该气体浓度的监测是火山爆发预测的常规方法。目前许多研究机构在火山口附近安装了电化学传感器分析设备，通过电极检测来实时分析火山气体的成分。但由于电极与火山气体的接触，容易出现寿命变短和性能降低的问题，因此除了定期更换部件等维护，监测的长期稳定性也是一个难题。这样，长寿命光源和全光学光电检测器分析设备则具有无需大量保养，还具有高灵敏度并长时稳定地进行成分分析的特点。目前因为光源的尺寸较大，尙难以将其安装在火山口附近。 在此背景下，滨松从2020年开始，参与了NEDO与产业技术综合开发机构(产综研)的“实现IoT社会的创新传感技术开发”※1项目，积极投入研究和开发具有全光学，小尺寸，高灵敏度和高可维护性特点的新一代火山气体监测系统。 滨松公司正在该项目中承担了分析设备光源的小型化任务，并成功开发出中红外光※2在7-8微米（μm，μ为百万分之一）范围内可高速改变输出功率的世界上最小尺寸波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser）。※3（图1、图2、表）。本次新开发的产品是通过将其与产综研开发的驱动系统相结合，实现了高速操作和外围电路简化，作为光源安装在分析设备上，实现了可便携的小型化分析设备。此外，本项目的目标是进一步提高灵敏度和可维护性，实现长时间稳定地对火山口附近气体进行实时监测。同时也有望应用于化工厂和下水道的有毒气体泄漏检测和大气测量等用途。产品特点 1、开发了世界上最小的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150。 公司利用独自的MEMS技术，对占据了QCL的大部分体积的MEMS衍射光栅※4进行完全的重新设计，成功开发出新的尺寸约为以前1/10的MEMS衍射光栅。此外，通过采用小型磁铁，减少了不必要的空间，并采用独特的光学封装技术，以0.1微米为单位的高精度实现部件的组装，实现了世界上最小的波长扫描QCL，其体积约为传统产品的1/150。 2、实现中红外光在波长7～8μm的范围内的周期性变化输出 滨松利用多年积累的量子结构设计技术※5通过搭载新开发的QCL元件，实现中红外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波长范围内的扫描输出。同时，我们还开发了可变波长QCL，可以从7-8μm范围内选择特定波长进行输出。 3、可高速获取中红外光的连续光谱 与产综研传感系统研究中心开发的驱动系统相结合，实现波长扫描QCL的高速波长扫描。它可以在不到20毫秒的时间内获取中红外光的连续光谱，可捕捉和分析随时间快速变化的现象。图2 波长扫描QCL的结构表 本次开发的波长扫描QCL的主要规格未来计划滨松公司将与NEDO和产综研进一步构建新型高灵敏度和高可维护性的火山气体监测系统，同时推进多点观测等实地测试。此外，公司将在2022年度内推出将该产品与驱动电路或与本司光电探测器相结合的模块化产品，以扩大中红外光的应用。 “注释” *1 实现IoT社会的创新传感技术开发 项目名称:实现IoT社会的创新传感技术开发 / 创新传感技术开发 / 波长扫描中红外激光器 研究开发新一代火山气体防灾技术 业务和项目简介：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html *2 中红外光 是一种波长比可见光长的红外光，一般把波长在4-10μm之间的红外光称为中红外光。 *3 波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser） 量子级联激光器(QCL)是一种通过在发光层中采用量子结构，可以在中红外到远红外的波长范围内获得高输出功率的半导体激光光源。波长扫描量子级联激光器是将从量子级联激光器发出的中红外光进行分光，反射到MEMS衍射光栅，再通过对MEMS衍射光栅进行电控，使其的倾斜面发生快速变化，从而实现中红外光的波长快速变化并输出。 *4 MEMS衍射光栅 通过电流工作的小型衍射光栅。衍射光栅是一种利用不同波长的光衍射角度的差异来区分不同波长光的光学元件。 *5 量子结构设计技术 是一种利用纳米级超薄膜半导体叠层产生的量子效应的器件设计技术。在该开发中，滨松公司在QCL的发光层采用了独有的反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM ）。

波长调谐范围覆盖6-20μm的高重复频率（10 MHz）、高平均功率（10 mW）飞秒激光源具有重要的应用，由于大量分子在这个波段具有振动跃迁，因此有望用于痕量气体检测以及对由气体、液体或固体组成的复合系统进行与物理、化学或生物学相关的非侵入性诊断。但由于增益介质的缺乏，这些中红外源通常利用高功率近红外飞秒激光器驱动光学差频产生（DFG）来实现：近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲，另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲，泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。利用传统非线性光学手段产生的信号光脉冲能量较低，限制了中红外光源的功率，导致长波中红外飞秒光源无法广泛应用。针对该难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在长期开展基于超快激光脉冲产生及波长转换的基础上，利用自相位调制的光谱旁瓣滤波（SPM-enabled spectral selection，SESS）技术，基于高功率掺铒光纤激光器在高非线性光纤中得到了波长范围覆盖1.6-1.94μm、功率高达300mW（~10nJ）的信号脉冲，再与1.55μm的泵浦脉冲在GaSe晶体中差频得到了波长覆盖7.7-17.3μm的中红外激光脉冲，最大平均功率可达58.3mW。图1. 实验装置图实验装置如图1所示，前端为自制的高功率掺铒光纤激光器系统，重复频率为32MHz，经过啁啾脉冲放大后得到平均功率为4W、脉冲能量为125nJ、宽度为 290fs的脉冲。将激光脉冲分成两份，一份作为泵浦脉冲，另一份耦合到SESS光纤中进行光谱展宽。光纤输出处的展宽光谱由二向色镜分离，长通滤波器（图中的LPF1）将最右边的光谱旁瓣过滤出来作为信号脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线与信号脉冲在时间上重合后聚焦到GaSe晶体上，光斑大小约为50μm。再通过另一个截止波长为4.5μm的长通滤波器，生成的中红外光束经焦距为75mm的90°离轴抛物面镜准直。利用校准的热敏功率计测量中红外脉冲的平均功率，傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪来测量输出光谱。图2（a）为1mm-GaSe后输出光谱和功率，光谱范围为7.7-17.3μm，最大平均功率为30.4 mW。为了进一步提高输出功率，我们采用2mm厚的GaSe晶体，结果如图2（b）所示，整个光谱调谐范围内脉冲功率均大于10mW，最大平均功率达58.3mW。相比于以往基于掺镱光纤的中红外光源，本研究成果将DFG平均功率提高了一个数量级，并首次实验上观测到了工作在光参量放大机制下的高重频DFG过程。该高功率长波中红外光源基于结构紧凑的光纤激光器，可以用于实现中红外双光梳，从而推动中红外光梳在精密光谱学中的前沿应用。相关结果发表在最近的Optics Letters上（https://doi.org/10.1364/OL.482461），被选为Editor's Pick并成为当天下载量最多的5篇论文之一。图2. 在不同厚度GaSe后测量到的中红外光谱和功率:（a） 1mm-GaSe（b）2mm-GaSe。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：No.62227822和62175255）、中国科学院国际交流项目（批准号：No. GJHZ1826）和国家重点研发计划（批准号：No. 2021YFB3602602）的支持。论文第一作者为物理所博士生刘洋，常国庆特聘研究员为通讯作者，赵继民、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。

第二十三届德国慕尼黑光电展于2017年6月26日在德国慕尼黑展览中心举行，该展会是全球唯一覆盖整个光电子行业所有门类、展示最尖端科技的专业光电博览会，目前，卓立汉光与Mountain Photonics GmbH 联合参加展出，卓立汉光携最具影响力产品：波长可调单色光源亮相展会现场！ ZOLIX&Mountain Photonics GmbH德国慕尼黑光电展展位号：B2.340 卓立汉光与Mountain Photonics GmbH 已正式签订代理协议，由Mountain Photonics GmbH全权代理卓立汉光产品推向德国市场，Mountain Photonics GmbH 在光电行业累积了70年的经验，为客户推广最全面的光学测量技术专业产品。 Mountain Photonics GmbH德国慕尼黑光电展（展位现场图） 卓立汉光自1999年成立，通过数年的不断努力，成为了光电行业知名的生产厂商， 2000年我司推出第一套量产型三光栅光谱仪后，不断推出了多套荧光、拉曼、光电探测器光谱响应、太阳能电池检测等光谱测量系统，广泛应用在众多高校和科研院所的研究与试验,为国家科技创新贡献了一份力量，产品凭借优良的品质远销欧美、东南亚等海外市场。 此次展会，与Mountain Photonics GmbH公司联合展出的Omni-λBright亮谱系列产品， 其应用市场广泛： 用于荧光光谱测试系统的激发光源 生物荧光测试 探针台应用 CCD相机 CMOS相机 紫外光传感器 红外光传感器 太阳能电池测试 PEC光电化学电池量子效率测试 光电探测器光谱响应度标定 眼部防护用品光谱测试 光学镜头透过率测试 透反吸测试系统光源 更多卓立汉光产品详情，请登录公司展台：北京卓立汉光仪器有限公司更多产品详情：可调单色光源