五个工程师与一个气质独特的中红外气体分析解决方案

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&#823&#823

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。