近日，濱松光子學(xué)株式會社在日本國家研究開發(fā)法人新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）主辦的“實(shí)現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā)”項目中，利用獨(dú)自的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和光學(xué)封裝技術(shù)，成功開發(fā)出世界上最小尺寸的波長掃描量子級聯(lián)激光器(QCL)，其體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。通過將其與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高速操作和外圍電路簡化，同時作為光源安裝在分析設(shè)備上，使可便攜的小型分析設(shè)備的開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。

在本開發(fā)項目中，我們提高了二氧化硫（SO2）和硫化氫（H2S）的探測靈敏度以及設(shè)備的維修性，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在火山口附近對火山氣體成分的長期和穩(wěn)定的檢測。此外，它還可以應(yīng)用于化工廠和下水道中有毒氣體的泄漏檢測和大氣測量等。

圖1 世界上最小尺寸的波長掃描QCL，體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150

概要

在火山爆發(fā)的前幾個月，火山氣體中的二氧化硫（SO2）或硫化氫（H2S）等濃度會開始逐漸上升，因此對該氣體濃度的監(jiān)測是火山爆發(fā)預(yù)測的常規(guī)方法。目前許多研究機(jī)構(gòu)在火山口附近安裝了電化學(xué)傳感器分析設(shè)備，通過電極檢測來實(shí)時分析火山氣體的成分。但由于電極與火山氣體的接觸，容易出現(xiàn)壽命變短和性能降低的問題，因此除了定期更換部件等維護(hù)，監(jiān)測的長期穩(wěn)定性也是一個難題。這樣，長壽命光源和全光學(xué)光電檢測器分析設(shè)備則具有無需大量保養(yǎng)，還具有高靈敏度并長時穩(wěn)定地進(jìn)行成分分析的特點(diǎn)。目前因?yàn)楣庠吹某叽巛^大，尙難以將其安裝在火山口附近。 

在此背景下，濱松從2020年開始，參與了NEDO與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(產(chǎn)綜研)的“實(shí)現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā)”※1項目，積極投入研究和開發(fā)具有全光學(xué)，小尺寸，高靈敏度和高可維護(hù)性特點(diǎn)的新一代火山氣體監(jiān)測系統(tǒng)。 濱松公司正在該項目中承擔(dān)了分析設(shè)備光源的小型化任務(wù)，并成功開發(fā)出中紅外光※2在7-8微米（μm，μ為百萬分之一）范圍內(nèi)可高速改變輸出功率的世界上最小尺寸波長掃描QCL（Quantum Cascade Laser）。※3（圖1、圖2、表）。本次新開發(fā)的產(chǎn)品是通過將其與產(chǎn)綜研開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高速操作和外圍電路簡化，作為光源安裝在分析設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了可便攜的小型化分析設(shè)備。此外，本項目的目標(biāo)是進(jìn)一步提高靈敏度和可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)長時間穩(wěn)定地對火山口附近氣體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。同時也有望應(yīng)用于化工廠和下水道的有毒氣體泄漏檢測和大氣測量等用途。

產(chǎn)品特點(diǎn) 

1、開發(fā)了世界上最小的波長掃描QCL，體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。 

公司利用獨(dú)自的MEMS技術(shù)，對占據(jù)了QCL的大部分體積的MEMS衍射光柵※4進(jìn)行完全的重新設(shè)計，成功開發(fā)出新的尺寸約為以前1/10的MEMS衍射光柵。此外，通過采用小型磁鐵，減少了不必要的空間，并采用獨(dú)特的光學(xué)封裝技術(shù)，以0.1微米為單位的高精度實(shí)現(xiàn)部件的組裝，實(shí)現(xiàn)了世界上最小的波長掃描QCL，其體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。 

2、實(shí)現(xiàn)中紅外光在波長7～8μm的范圍內(nèi)的周期性變化輸出 

濱松利用多年積累的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)※5通過搭載新開發(fā)的QCL元件，實(shí)現(xiàn)中紅外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波長范圍內(nèi)的掃描輸出。同時，我們還開發(fā)了可變波長QCL，可以從7-8μm范圍內(nèi)選擇特定波長進(jìn)行輸出。 

3、可高速獲取中紅外光的連續(xù)光譜 

與產(chǎn)綜研傳感系統(tǒng)研究中心開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)波長掃描QCL的高速波長掃描。它可以在不到20毫秒的時間內(nèi)獲取中紅外光的連續(xù)光譜，可捕捉和分析隨時間快速變化的現(xiàn)象。

圖2 波長掃描QCL的結(jié)構(gòu)

表 本次開發(fā)的波長掃描QCL的主要規(guī)格

未來計劃

濱松公司將與NEDO和產(chǎn)綜研進(jìn)一步構(gòu)建新型高靈敏度和高可維護(hù)性的火山氣體監(jiān)測系統(tǒng)，同時推進(jìn)多點(diǎn)觀測等實(shí)地測試。此外，公司將在2022年度內(nèi)推出將該產(chǎn)品與驅(qū)動電路或與本司光電探測器相結(jié)合的模塊化產(chǎn)品，以擴(kuò)大中紅外光的應(yīng)用。 

“注釋”

 *1 實(shí)現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) 項目名稱:實(shí)現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) / 創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) / 波長掃描中紅外激光器 研究開發(fā)新一代火山氣體防災(zāi)技術(shù) 業(yè)務(wù)和項目簡介：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html 

*2 中紅外光 是一種波長比可見光長的紅外光，一般把波長在4-10μm之間的紅外光稱為中紅外光。 

*3 波長掃描QCL（Quantum Cascade Laser） 量子級聯(lián)激光器(QCL)是一種通過在發(fā)光層中采用量子結(jié)構(gòu)，可以在中紅外到遠(yuǎn)紅外的波長范圍內(nèi)獲得高輸出功率的半導(dǎo)體激光光源。波長掃描量子級聯(lián)激光器是將從量子級聯(lián)激光器發(fā)出的中紅外光進(jìn)行分光，反射到MEMS衍射光柵，再通過對MEMS衍射光柵進(jìn)行電控，使其的傾斜面發(fā)生快速變化，從而實(shí)現(xiàn)中紅外光的波長快速變化并輸出。

 *4 MEMS衍射光柵 通過電流工作的小型衍射光柵。衍射光柵是一種利用不同波長的光衍射角度的差異來區(qū)分不同波長光的光學(xué)元件。 

*5 量子結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù) 是一種利用納米級超薄膜半導(dǎo)體疊層產(chǎn)生的量子效應(yīng)的器件設(shè)計技術(shù)。在該開發(fā)中，濱松公司在QCL的發(fā)光層采用了獨(dú)有的反交叉雙重高能態(tài)結(jié)構(gòu)（AnticrossDAUTM ）。