五个工程师与一个气质独特的中红外气体分析解决方案

中红外的光学分析法具有什么特征？

气体分析包括气相色谱分析、质谱分析，而这些都需要采集样本后带到实验室进行。但如果使用激光的中红外光学法，则可实现高精度的在线监测。更加实时和便捷，应用范围更广。

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。

中红外波段的探测器和光源开发有什么困难？

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的优势。从光发射角度来看，对计测也是非常有利的。

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）

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。

整体的方案对于客户有什么价值？

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。

从客户角度，探测器和光源都来自同一个厂家是更加便利的。比如，如果是从不同厂家分别购买的探测器件和光源，一旦开发出来的设备没有达到预期的性能，就很难知道配合使用过程中的问题所在。

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，从而提高测量设备的性能，缩短设备开发的时间。利用中红外波段QCL（量子级联激光器）的激光吸收分光进行分析计测是非常新的技术，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。

滨松分别为光源和探测器部分提供怎么样的产品？

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，这是由我们前任社长昼马辉夫先生提出的。虽然很遗憾目前仍没有确立这种技术，但QCL在气体分析领域却发挥了独特的作用。

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的波长范围。

QCL和InAsSb光伏探测器各自有什么特别的性能吗？

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，可使光谱带宽处于非常窄的单一波长。但是DFB很难实现量产，在产品化之初，我们为提高产品的合格率也投入了非常多的精力。

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将会变得准直而易于传播，因此与之前的产品相比，客户在设计光学系统时，无需在激光器外再加准直透镜。

在内部置入准直透镜时，是否也付出了相当的努力？

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。在封装外设置透镜因为没有大小的要求，所以比较容易对准。但若是内置透镜，就需要在狭小的封装空间内，完成与光轴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声的影响。

QCL的发射光斑大小只在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。

QCL有什么典型应用？

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QCL的真正应用价值所在。

InAsSb光伏探测器又有什么特点？

InAsSb光伏探测器是含有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。

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，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进行生长的，它的品质与器件的性能息息相关，因此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。

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。