煙氣、尾氣等污染氣體中所含有的氮氧化物、硫氧化物等成分，對我們的健康有著很大的威脅。需要分辨出它們，監(jiān)測排放，中紅外波段光這時(shí)就大有用處了。

對3μm~10μm波段的中紅外光有吸收特性的污染物們，通過光學(xué)的方法就能被迅雷不及掩耳盜鈴之勢地監(jiān)測到，可謂是中紅外光一出手，就知污染有沒有。

但是，重點(diǎn)來了！完成一套探測系統(tǒng)，光源和探測器都是必要的。在這個(gè)如此微妙的波段，要想有一個(gè)“兩全”的整體配套解決方案，可不是那么容易的事情。雖然不容易，但總還是有的！

量子計(jì)級聯(lián)（QCL）× InAsSb光伏探測器

這兩位就是挑起氣體監(jiān)測大梁的干將了。而關(guān)于這個(gè)氣質(zhì)獨(dú)特的中紅外氣體分析解決方案，有5位濱松工程師表示有話要說一說??

Topic 1 “兩全”的中紅外氣體分析解決方案

Q：中紅外的光學(xué)法分析具有什么特征？

大石：氣體分析包括氣體色譜分析、質(zhì)量分析，而這些都需要采集樣本后帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。如果通過使用激光的中紅外光學(xué)法，則實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。更加實(shí)時(shí)和便捷，應(yīng)用范圍也更廣泛。

杉山：我們多致力于中紅外波段氣體的分析，并為這樣的應(yīng)用提供了相應(yīng)的激光器。在波段3μm~10μm間，包括甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等許多有害氣體都能夠通過這種方法被測得。

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Q：中紅外波段的探測器和光源器件開發(fā)是否有難以攻破的課題？

杉山：之所以特意選擇中紅外波段的氣體分子為對象，是因?yàn)闅怏w分子的吸收具有明顯性的優(yōu)勢。從光發(fā)射角度來看，對計(jì)測也是非常有利的。

飯?zhí)铮阂环矫妫瑢τ谔綔y器來講，在中紅外波段背景光的增強(qiáng)，也就意味著干擾的出現(xiàn)，對探測有著不良的影響。此外，在該波段想要制作理想的探測器非常困難，并且也很難實(shí)現(xiàn)高靈敏度的性能。正因如此，同時(shí)提高探測器在中紅外波長的靈敏度，以及激光光源的性能非常重要。而能就這兩方面進(jìn)行同步開發(fā)，也體現(xiàn)了濱松的技術(shù)實(shí)力吧。（笑）

大石：尤其是儀器制造客戶開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，若在開發(fā)初期不提高精度，那么開發(fā)也毫無意義。為此，核心的探測器和激光器必須保持最好的狀態(tài)。因?yàn)閷@一點(diǎn)有深刻的認(rèn)識，目前我們開發(fā)的產(chǎn)品才能夠在客戶那里穩(wěn)定地、持續(xù)地發(fā)揮出良好的作用。

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Q：完成探測器和激光光源配套的方案有什么困難？方案對于客戶有什么價(jià)值？

杉山：無論是探測器還是激光光源，都存在很多開發(fā)難題，同時(shí)挑戰(zhàn)兩種器件的廠家也鮮有出現(xiàn)。就激光光源來說，因?yàn)椤?成分=1波長”，故而需要開發(fā)與被測對象氣體相同數(shù)量的激光光源。開發(fā)成本大，產(chǎn)品化后的商務(wù)風(fēng)險(xiǎn)也很高。

大石 ：從客戶角度，探測器和光源都來自同一個(gè)廠家是具有很大優(yōu)勢的。比如，目前多數(shù)的儀器制造商都是從不同廠家分別購買的探測器件和光源。但若開發(fā)出來的設(shè)備沒有達(dá)到預(yù)期的性能時(shí)，由于器件來自不同的地方，就很難知道配合使用過程中的問題所在。

落合：若探測器和光源都是由同一廠家生產(chǎn)的，就可以進(jìn)行相互評估，找出問題所在，從而提高測量設(shè)備的性能，縮短開發(fā)設(shè)備的時(shí)間。利用中紅外波段QCL（量子級聯(lián)激光器）的激光吸收分光是非常新的分析計(jì)測技術(shù)，今后也將以高靈敏度、高分辨率的優(yōu)勢，成為氣體分析的選擇并得到普及。

采用QCL（量子級聯(lián)激光器）和InAsSb光伏測器的極微量氣體分析示意圖

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Topic 2：單一波長振動(dòng)

量子級聯(lián)激光器（QCL）和性能穩(wěn)定的InAsSb光伏光伏探測器

Q：濱松分別為光源和探測器部分提供怎么樣的產(chǎn)品？

杉山：光源器件的代表是量子級聯(lián)激光器（QCL）。它的開發(fā)初衷其實(shí)是想用于通過呼吸分析來進(jìn)行“癌癥篩查”的應(yīng)用，這是有我們前任社長晝馬輝夫先生提出的。雖然遺憾的是目前仍沒有確立這種技術(shù)，但QCL在氣體分析領(lǐng)域仍然發(fā)揮了獨(dú)特的作用。

飯?zhí)?：光探測部分則是InAsSb（銦砷銻）光伏探測器。目前我們提供2種類型的產(chǎn)品，覆蓋2.5μm~8μm的波長區(qū)域。

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量子級聯(lián)激光器（QCL）

InAsSb光伏探測器

Q：QCL和InAsSb光伏探測器各自有什么特別的性能嗎？

杉山：首先說一下QCL。一般的半導(dǎo)體激光器，如果在數(shù)百nm中有多個(gè)波長發(fā)生震動(dòng)時(shí)，光譜帶寬變寬，受到多種氣體的干擾，測量精度下降。而QCL采用的是DFB（分布式反饋激光器）結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部設(shè)置了衍射光柵，可使光譜帶寬非常狹小的單一波長振動(dòng)。但是DFB很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量，在產(chǎn)品化之初，我們?yōu)樘岣弋a(chǎn)品的合格率投入了非常多的精力。

落合 ：在不斷提高DFB結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)同時(shí)，我們也推進(jìn)了內(nèi)置準(zhǔn)直透鏡的新產(chǎn)品的開發(fā)。新產(chǎn)品從激光芯片射出的光的范圍變得更寬，因此與之前的產(chǎn)品相比，客戶在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，無需再為激光通過對象物而改變光的形狀。

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Q：在內(nèi)部置入準(zhǔn)直透鏡時(shí)，是否也付出了相當(dāng)?shù)木Γ?p>落合：以往沒有準(zhǔn)直鏡的QCL產(chǎn)品需要客戶自己調(diào)整光軸。中紅外光是不可見光，無論是在光學(xué)材料還是特殊的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上都是相當(dāng)花時(shí)間的。在QCL封裝外部設(shè)置透鏡的話，因?yàn)闆]有大小的要求，所以是比較容易對準(zhǔn)的。但是，若是內(nèi)置透鏡，就需要在狹小的封裝空間內(nèi)，與光軸完成高精度的對準(zhǔn)以及固定。同時(shí)還必須考慮因光學(xué)材料的反射產(chǎn)生的噪音的影響。

杉山：發(fā)射光斑大小只在10μm*10μm左右，要將這大約只有頭發(fā)直徑十分之一的光斑與光軸對準(zhǔn)，可不是簡單的事。而在出貨檢驗(yàn)時(shí)，安裝了準(zhǔn)直儀的透鏡軸如果稍有偏差，都會(huì)成為不合格品。

內(nèi)置準(zhǔn)直透鏡的新型QCL

濱松QCL獲2016年日本激光學(xué)會(huì)產(chǎn)業(yè)“優(yōu)秀獎(jiǎng)”

Q：QCL有什么典型應(yīng)用？

落合：比如說同位素檢測。CO2雖是唯一的物質(zhì)，但它也存在擁有不同質(zhì)量數(shù)的C和O的“兄弟”同位素，其光吸收波長都各不相同。CO 2和13CO 2的吸收波長同是4.329μm，而12CO 2 的吸收波長是4.328μm。求出同位素之比，就可以知道排出源（植物、土壤、燃燒等）和形成原因，同位素檢測可以說是激光QCL的真正的應(yīng)用價(jià)值所在。

Q：探測部分的InAsSb光電探測器又有著什么特點(diǎn)呢？

朝倉：InAsSb光電探測器是含有In（銦）、As（砷）、Sb（銻）的化合物半導(dǎo)體。以前，作為3μm~10μm的紅外探測器而得到廣泛使用的是MCT光伏探測器、MCT光導(dǎo)探測器。但MCT中使用了RoHS指令中所禁止的汞、鎘，所以我們重新開發(fā)了不含這些禁令污染物的器件。

飯?zhí)铮篒nAsSb光伏探測器的研制，需要同時(shí)在晶體生長和制程兩個(gè)方面進(jìn)行新的推進(jìn)。話雖簡單，但一方面現(xiàn)有的技術(shù)并不適用于新產(chǎn)品，而且還要開發(fā)出半導(dǎo)體材料的最佳生長方法和制程。晶體是在作為基板的硅晶片上形成薄膜層來進(jìn)行生長的，它的品質(zhì)與器件的特性息息相關(guān)，以此，為了得到高品質(zhì)的晶體必須要不斷改良其生長技術(shù)。制程則要通過改良設(shè)備的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高靈敏度的性能。不過，最終我們都掌握了兩方面的新技術(shù)。

朝倉：MCT的個(gè)體差異性非常明顯，而InAsSb光伏探測器不含汞、鎘，且具有穩(wěn)定性高、偏差小的優(yōu)點(diǎn)，具有更大的優(yōu)勢。若固定產(chǎn)品規(guī)格，則會(huì)是非常好的量產(chǎn)化產(chǎn)品。

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Topic 3 使用分子吸收的計(jì)測的應(yīng)用范圍廣

Q：客戶對產(chǎn)品有什么樣的反應(yīng)？

大石：有客戶對QCL和InAsSb光伏探測器的配套組件進(jìn)行了評估，顯示出的性能漸漸地得到了客戶的認(rèn)可。因?yàn)楦采w了氣體所含成分所吸收的狹小的波段，恰好顯示出了QCL發(fā)光波長范圍小的優(yōu)勢。我們也可以滿足想要生產(chǎn)此類設(shè)備的廠家的需求。

杉山：采用分子吸收計(jì)測是光學(xué)法的關(guān)鍵。不僅是氣體，液體和固體也可以利用這樣的方法進(jìn)行分析，比如水分和膽固醇。

Q：今后有怎樣的推進(jìn)計(jì)劃？

落合：目前的QCL產(chǎn)品覆蓋了4μm~10μm波段，我們也在擴(kuò)充能夠覆蓋更長波長范圍的產(chǎn)品。當(dāng)然，與之對應(yīng)的是，我們接下來也將涉及10μm附近的探測器的開發(fā)。

朝倉：是的，光探測部分的InAsSb光伏探測器目前涵蓋了2.5μm~8μm。我們打算將其延伸到11μm、12μm。

大石：今后，無論是光探測器還是激光光源，都將同時(shí)覆蓋10μm左右的長波長領(lǐng)域。另外，我們構(gòu)想著將這兩個(gè)器件組成一個(gè)模塊，更加高效地為客戶實(shí)現(xiàn)氣體探測的應(yīng)用。