5個工程師與氣質獨特的中紅外氣體分析解決方案

　　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，監測排放，中紅外波段光這時就大有用處了。

　　在3μm~10μm波段的中紅外光有吸收特性的污染物，通過光學的方法就能以迅雷不及掩耳之勢監測到，可謂是中紅外光一出手，就知污染有沒有。

　　但是，重點來了！完成一套探測系統，光源和探測器都是必要的。在這個如此奇妙的波段，要想有一個“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，但總是有的！

量子計級聯（QCL）× InAsSb光伏探測器

　　這兩位就是挑起氣體監測大梁的干將了。而關于它們，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：中紅外的光學法分析具有什么特征？

　　大石：氣體分析包括氣相色譜分析、質譜分析，而這些都需要采集樣本后帶到實驗室進行。但如果使用激光的中紅外光學法，則可實現在線監測。更加實時和便捷，應用范圍也更廣。

　　杉山：我們多致力于中紅外波段氣體的分析，并為這樣的應用提供了相應的激光器。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。

　　Q：中紅外波段的探測器和光源器件開發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，是因為氣體分子的吸收具有明顯的優勢。從光發射角度來看，對計測也是非常有利的。

　　飯田：一方面，對于探測器來講，在中紅外波段背景光的增強，也就意味著干擾的出現，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，并且也很難實現高靈敏度的性能。正因如此，同時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。而能就這兩方面進行同步開發，也體現了濱松的技術實力吧。（笑）

　　大石：尤其是儀器制造客戶開發新產品時，若在開發初期不提高精度，那么開發也毫無意義。為此，核心的探測器和激光器必須保持最好的狀態。因為對這一點有深刻的認識，目前我們開發的產品才能夠在客戶那里穩定地、持續地發揮出良好的作用。

　　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值？

　　杉山：無論是探測器還是激光光源，都存在很多開發難題，同時挑戰兩種器件的廠家也鮮有出現。就激光光源來說，因為“1成分=1波長”，故而需要開發與被測對象氣體相同數量的激光光源。開發成本大，產品化后的商務風險也很高。

　　大石 ：從客戶角度，探測器和光源都來自同一個廠家是更加便利的。比如，如果是從不同廠家分別購買的探測器件和光源，一旦開發出來的設備沒有達到預期的性能，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的，就可以進行相互評估，找出問題，從而提高測量設備的性能，縮短設備開發的時間。利用中紅外波段QCL（量子級聯激光器）的激光吸收分光進行分析計測是非常新的技術，今后也將以高靈敏度、高分辨率的優勢，成為氣體分析的選擇并得到普及。

采用QCL（量子級聯激光器）和InAsSb光伏測器進行痕量氣體分析示意圖

　　Topic 2：單波長特性：量子級聯激光器（QCL）和性能穩定的InAsSb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品？

　　杉山：光源器件的代表是量子級聯激光器（QCL）。它的開發初衷其實是想用于通過呼吸分析來進行“癌癥篩查”的應用，這是由我們前任社長晝馬輝夫先生提出的。雖然很遺憾目前仍沒有確立這種技術，但QCL在氣體分析領域卻發揮了獨特的作用。

　　飯田：光探測部分則是InAsSb（銦砷銻）光伏探測器。目前我們提供2種類型的產品，覆蓋2.5μm~8μm的波長范圍。

濱松量子級聯激光器（QCL）

濱松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。一般的半導體激光器，如果在數百nm中有多個波長發生震動時，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）結構，在內部設置了衍射光柵，可使光譜帶寬處于非常窄的單一波長。但是DFB很難實現量產，在產品化之初，我們為提高產品的合格率也投入了非常多的精力。

　　落合 ：在不斷提高DFB結構的制造技術同時，我們也推進了內置準直透鏡的新產品的開發。新產品從激光芯片射出的光將會變得準直而易于傳播，因此與之前的產品相比，客戶在設計光學系統時，無需在激光器外再加準直透鏡。

　　Q：在內部置入準直透鏡時，是否也付出了相當的努力？

　　落合：以往沒有準直鏡的QCL產品需要客戶自己調整光軸。中紅外光是不可見光，無論是在光學材料還是特殊的光學系統設計上都是相當花時間的。在QCL封裝外部設置透鏡的話，因為沒有大小的要求，所以是比較容易對準的。但若是內置透鏡，就需要在狹小的封裝空間內，完成與光軸高精度的對準以及固定。同時還必須考慮因光學材料的反射產生的噪音的影響。

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

內置準直透鏡的QCL新品

濱松QCL獲2016年日本激光學會產業賞“優秀獎”

　　Q：QCL有什么典型應用？

　　落合：比如說同位素檢測。CO2雖是唯一的物質，但它也存在擁有不同質量數的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QCL的真正的應用價值所在。

　　Q：探測部分的InAsSb光伏探測器又有著什么特點呢？

　　朝倉：InAsSb光伏探測器是含有In（銦）、As（砷）、Sb（銻）的化合物半導體。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，所以我們重新開發了不含這些禁令污染物的器件。

　　飯田：InAsSb光伏探測器的研制，需要同時在晶體生長和制程兩個方面進行新的推進。話雖簡單，但一方面現有的技術并不適用，而且還要開發出半導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進行生長的，它的品質與器件的性能息息相關。因此，為了得到高品質的晶體必須要不斷改良其生長技術。制程則要通過改良設備的結構，來實現產品高靈敏度的性能。不過，最終我們都掌握了兩方面的新技術。

　　朝倉：MCT的個體差異性非常明顯，而InAsSb光伏探測器不含汞、鎘，且具有穩定性高、偏差小的優點，具有更大的優勢。若固定產品規格，則會是非常好的量產化產品。

　　Topic 3使用分子吸收的計測方法應用廣泛

　　Q：客戶對產品有什么樣的反應？

　　大石：有客戶對QCL和InAsSb光伏探測器的配套組件進行了評估，顯示出的性能漸漸地得到了他們的認可。因為覆蓋了氣體所含成分所吸收的狹小的波段，恰好顯示出了QCL發光波長范圍小的優勢。我們也可以滿足想要生產此類設備的廠家的需求。

　　杉山：采用分子吸收譜測試是光學法的關鍵。不僅是氣體，液體和固體也可以利用這樣的方法進行分析，比如水分和膽固醇。

　　Q：今后有怎樣的推進計劃？

　　落合：目前的QCL產品覆蓋了4μm~10μm波段，我們也在擴充能夠覆蓋更長波長范圍的產品。與之對應的，我們接下來也將涉及10μm附近的探測器的開發。

　　朝倉：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，都將同時覆蓋10μm左右的長波長領域。另外，我們構想著將這兩個器件組成一個模塊，更加高效地為客戶實現氣體探測的應用。