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。
在3μm~10μm波段的中红外光有吸收特性的污染物,通过光学的方法就能以迅雷不及掩耳盗铃之势被监测到,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。在这个如此奇妙的波段,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。
不过没关系,再不容易,反正滨松是肯定有的。(骄傲脸)
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。而关于它们,有5位工程师表示,他们有话要来说一说……
温馨提示:内容较多,敬请耐心阅览。关注重点(划线),文末有惊喜。
Topic 1
“两全”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?
问
大石谕
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。
杉山厚志
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?
问
杉山厚志
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。
饭田大辅
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)
大石谕
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?
问
杉山厚志
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。
大石谕
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。
落合隆英
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。
Topic 2
单波长特性:量子级联激光器(QCL)和性能稳定的InAsSb光伏探测器
滨松分别为光源和探测器部分提供怎么样的产品?
问
杉山厚志
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。
饭田大辅
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?
问
杉山厚志
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。
落合隆英
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?
问
落合隆英
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。
杉山厚志
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?
问
落合隆英
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?
问
朝仓雅之
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。
饭田大辅
光伏探测器的研制,需要同时在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。
朝仓雅之
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。
量子级联激光器
InAsSb光伏测器
Topic 3
使用分子吸收的计测方法应用广泛
客户对产品有什么样的反应?
问
大石谕
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他们的认可。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。
杉山厚志
采用分子吸收谱测试是光学法的关键。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。
今后有怎样的推进计划?
问
落合隆英
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。与之对应的,我们接下来也将涉及10μm附近的探测器的开发。
朝仓雅之
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。
大石谕
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。
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