不要骗我，这小不点真可以“看到”辣么多污染气体？

( 诚实预告：文末有惊喜 ；D )

一月初的北京又又又又又一次霾上了。

1月4日某天气APP发出的数据

帝都各界群众心情如右图

小编在几个清晨拉开窗帘的时候，都感觉进入了《迷雾》呀、《寂静岭》呀之类的电影场景中，担心分分钟有外星生物或者异世界怪物从浓浓大霾里蹦出来。

《迷雾》剧照 来源：douban.com

《寂静岭》剧照 来源：funshion.com

雾霾的影响和危害，想必就算是吃瓜群众也都已非常了解了。想要逃脱这场“醇厚”的霾，戴口罩、开净化器都只是一时的权宜之计，关键还是要从根本上彻底治理。都说擒贼先擒王，那么治霾就得先控源，有效及时的污染源监测是治理需要踏出的第一步。

二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者是气体，而后者是雾霾的最大“元凶”。最有代表性的就是大家熟悉的PM2.5了，这种物质本身既是污染物，又是多种毒物的载体，比如重金属、多环芳烃。

对于普通的防护来，浓度信息基本能满足预警参考，但对于监管和治理来讲，还需要更细致的了解到污染物中的成分等多种信息，才能作为“对症下药”的科学参考依据。

不同分子的气体都有其固定的、独有的特征吸收峰，我们根据这些吸收峰的位置进行识别，从而分辨出是哪种气体以及浓度大小，这些吸收峰我们也称之为“分子的指纹峰”。

利用中红外光指纹峰来判断气体的种类和浓度，已经广泛地应用于气体中氮氧化物和硫氧化物的测定。

目前常见的污染气体主要集中在4μm~10μm内，因此我们有必要将探测器的波长范围扩展到11μm附近（来来来，请各位同学划重点），从而完成对绝大多数常见污染气体的高灵敏度、高精度的探测。

（点击可看大图）

此前，在中红外气体探测中主要采用的是碲镉汞（MCT）红外探测器。但因为该探测器中含有RoHS指令所限制的水银和镉，所以渐渐被市场拒之门外。不过，后浪拍前浪，一种基于环保材料的新型探测器则踩着七彩祥云横空而降了！

对于中红外波段的探测而言，铟砷锑（InAsSb）材料的探测器在室温下也具有很高的探测效率，且响应快速。与碲镉汞（MCT）不同，其材料完全符合RoHS标准。这些优势让它逐渐成为高品质红外探测的新宠。

采用InAsSb材料的红外探测器，因为改变了光吸收层的薄膜结晶As和Sb组合比例，使其在12μm处也可具有光谱响应。而InAsSb的薄膜结晶是在作为衬底的结晶基板上生长的，改变元素的组合比例后，可以响应不同范围的波长，由于在薄膜结晶和结晶基板上生长出的材料原子排列间隔不同，在薄膜结晶生长时存在半导体材料缺陷的问题，从而影响探测器实际的波长响应范围。

注意！小编这里要说“然而”了！

然而！

近期，滨松公司通过自有的薄膜结晶成长技术，生长出了几乎无缺陷的薄膜，将光谱响应范围从8μm稳定延伸至11μm。结合我们在上文中划的重点（敲黑板：忘记的同学赶快往上翻看），可以了解，几个微米级的变化则会带来可测定分子范围的扩大，10μm波长附近的氨气（NH3）、臭氧（O3）等分子如今也只能乖乖缴械现形。实现了单个探测器对多种成分的分析，对于污染气体在线监测更具意义。

滨松新型InAsSb光探测器P13894系列

光谱响应范围覆盖3~11μm

我们知道，波长越长光能量越低，对探测器灵敏度要求就越高。虽然通过冷却可提高探测器灵敏度，但采用液态氮的方法会导致设备大型化，采用电子冷却又存在功率变大的问题。滨松在新系列InAsSb探测器的结构设计上进行了反复专研，实现了非制冷、高灵敏度特性的并存，以此进一步推进分析设备的小型化、低功率，也是大有希望。

InAsSb光探测器P13894系列中

制冷型和非制冷型单品对比

除此之外，该InAsSb探测器上升时间很快，可用更高的调制频率进行光源调制，在更短时间内获得气体吸收信号，从而达到“实时监测”的效果。在空气污染源监测，特别是工厂烟气监测中意义突出。

工厂烟气监测示意

不过，完整的监测系统，单靠InAsSb探测器这个小不点也是完成不了的，还需要相应的光源担任助攻才行。波段4μm~10μm的中红外光源——量子级联激光器（QCL）是理想的选择。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。2016年滨松公司也推出了内置准直透镜的QCL新品，增加了仪器开发的便利性。

参考资料：

[1] 百度百科,”雾霾”词条.

[2] 胡淑红,王奇伟,吴杰,何家玉,戴宁.非致冷InAsSb中长波红外探测器研究评述孙常鸿.中国电子科学研究院学报.2010.01

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