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2018.08

产业 | 国内中红外激光气体检测技术的发展

Author:admin

      作为半导体激光技术发展的里程碑,量子级联激光器(QCL)使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能,为气体分析等中红外应用提供了新型光源,因此QCL日益受到关注。

      尤其是近10年,越来越多的科研人员开始研究QCL在气体检测方面的应用,使得它的优势和潜力被更多的认识和挖掘。


 中远红外量子级联激光器(QCL)


      众所周知,QCL属于新一代半导体激光器,它的特性不同于传统半导体激光器。用中科院半导体所刘峰奇研究员的“两层含义”解释,应该更加形象。

      首先是量子含义,是指激光器由纳米级厚度的半导体异质结超薄层构成,利用量子限制效应,通过调节每层材料的厚度和子带间距,从而调节波长;其次是级联含义,它的有源区由多级耦合量子阱串接组成,可实现单电子注入的倍增光子输出,可望获得大功率,而普通的半导体激光器是利用电子空穴对的复合发射光子,这是普通激光器不具备的一个性能。


量子级联激光器能带结构和工作原理示意图 


      由于QCL是集量子工程和先进的分子束外延技术于一体,技术含量很高,是国家纳米及量子器件核心技术的真正体现,这方面的技术突破将激活我国的民用市场。它在空间通信、远距离探测、大气污染监控、工业烟气分析、化学过程监测、分子光谱研究、无损伤医学诊断等方面具有很急迫的应用前景。


 QCL在国内的发展现状 


      自从1994 年第一台QCL发明以后,国际上各大研究机构开始了该项目的研究,其中具有代表性的包括美国贝尔实验室、美国哈佛大学( FedericoCapasso 小组) 、美国西北大学( Manijeh Razeghi 小组) 、瑞士苏黎世联邦理工学院( Jerome Faist 小组) 。

      当QCL的研究发展到了一定阶段,有了实际的应用空间,便开始了商业化的进程,目前主要的商业公司包括Alpes Lasers、Daylight Solutions、Pranalytica等。其中,Alpes Lasers占据全球85%的QCL市场份额。

      而Daylight Solutions和Pranalytica公司主要研究大功率、连续工作模式、高工作温度的中红外QCL的核心技术,获得了世界上唯一输出功率为2 W 的商用中红外QCL,并且将此核心技术运用到外腔宽调谐QCL中,近年来不断获得美国军方和美国国防部的资金支持。

      我国中远红外QCL的研究工作几乎和国际同步,开始于1995 年,主要的研究小组是中国科学院上海微系统和信息研究所张永刚、李爱珍课题组以及中国科学院半导体研究所的刘峰奇、王占国课题组。后中国科学院上海微系统和信息研究所于1998 年报道了国内第一个QCL,并与2004 年报道了我国第一个中红外分布反馈QCL。

      但是现在在芯片和整机方面工作较为突出的,是中科院半导体所刘峰奇课题组,已能够自主生产高性能QCL,做到室温连续1.2 W工作,波长4-10 µm,以及太赫兹波段都能覆盖,在低功耗以及气体探测用的DFB-QCL上,优于国外研究组。

      此外山西大学、吉林大学、重庆大学、中科院光电技术研究所、华北光电技术研究院等的20多个课题组都对QCL进行了研究或研制器件。

      而国内QCL商品实用化方面,暂时无一家生产商能够完成从芯片到封装、再到整机的全部自主研发设计,芯片全部由国外进口,但是不乏一些封装集成供应商,例如海尔欣光电,可以提供从QCL光源、MCT探测器等模块组件,再到激光气体分析系统的全套解决方案。


 QCL气体检测技术的国内应用 

      QCL从问世到现在,经过了20多年的发展,很多技术已经应用在气体分析、医学、军事等方面,但主要是在国外。



QCL应用在红外对抗、无创诊断、工业监测、环境监测中


      近10年,随着我国工业生产的迅猛发展,大气环境污染事故不断增加,威胁着人类健康、破坏生态环境,严重制约着生态平衡以及经济、社会的发展。国家对环境监测数据的准确性也是采取“零容忍”的态度,问题的根源就在于排放至空气中的NOx,SOx,NH3,VOC,O3等污染气体含量的异常变化。



氨气分子近红外(蓝色)与中红外(红色)光谱强度对比


      很多分子在中远红外都有特征吸收谱带,且属于分子的最强基本振转谱线(Fundamental ro-vibrational transitions),用QCL对这种分子的“指纹”谱扫描解析,就可以对这种气体进行高精度定量分析。


2.9 μm-16.7 μm中远红外波段的常见分子指纹光谱


      目前,实现高精度气体分析技术有许多技术路线,基于近红外激光器的吸收光谱是与中远红外QCL吸收光谱较为接近的一种竞争技术。据海尔欣光电董事长王胤博士介绍,QCL在气体检测中的技术优势非常明显:首先中远红外的分子检测灵敏度比近红外更高;其次,在相对宽的中红外光谱范围内,分子谱线的重叠更少,交叉干扰更小;而造成大气环境污染的首要分子NOx和SOx,只有在中远红外有足够强,且易于解析的光谱线,因此QCL将会是开发下一代高精度、高可靠的烟气排放监测技术的首选光源。“工业排放、过程监测一定会是引领QCL应用市场的重要需求之一。”

      目前,海尔欣光电已经在国内首创基于中红外QCL的氨氮一体分析仪,用于锅炉脱硝过程优化控制,NH3和NO两种分子浓度同时分析,精度均可达0.01ppm,相比于近红外激光、非分散红外或是化学荧光技术,QCL分析仪便携,精度高,无需冷凝除水或稀释采样,极大地减少了专业人员获得脱硝工艺数据的工作量。

      国内中科院安徽光机所、天津大学、香港中文大学、山西大学等也已开展了QCL在气体检测方向的应用研究。


 应用进行中的阻力 


      虽然QCL的技术优势已被科研人员和用户逐渐认识到,但是大量应用尚未兴起,减缓了该技术的产业化进程。究其原因,不论是芯片、器件或系统,价格昂贵是其不容忽视的一个问题。

      香港中文大学任伟教授说,目前国内还无一完全自主研发的企业,且科研还处于初步阶段。核心芯片的自主产权问题,因为无法自主生产,国外进口QCL的成本太高限制了大范围的应用。但是令人可喜的是,不论科研和企业界都在努力推动它的发展。国内基于QCL气体传感已经有很多产品,比如大气污染监测,目前安徽光机所高晓明、阚瑞峰课题组都在做该方面的应用产品。

      中科院半导体所助研翟慎强博士认为,QCL的芯片全部进口,很大一部分提高了QCL激光器的价格。而当国内有少量应用需求时,通常只是订购一两台,但是工艺制作通常是批量完成,这就无形中将批量生产的价格转嫁在出售的某一两台的器件上,致使做成的QCL系统更加昂贵。在用户使用QCL并不迫切的情况下,很难优先考虑使用这种新技术。

      安徽光机所副研究员谈图博士也持相同意见。他认为单从技术上来说,QCL技术作为气体检测优势不言而喻,但是从发展时间来说,相比其他半导体激光器的发展尚短,整体可靠性不高,又因为价格较高,所以国内市场应用一直未见突飞猛进。


 展望 


      QCL的发展在大气检测等民用方面有着广阔的应用前景,但是产业化要想获得进一步发展,还需科研、产业和用户的共同努力。相信随着技术的推进以及价格的进一步降低,不远的将来,该技术会被越来越多的科研和工业用户所信赖。



参考文献:

1.“光行天下”微信号:量子级联激光器的工作原理、特点及其分类

2.科技日报:利用量子级联激光器快速排查有害气体

3.量子级联激光器的原理及研究进展. 宋淑芳,邢伟荣,刘铭.[J] 激光与红外,2013,9(43):972-976

4.基于量子级联激光器的气体检测系统的发展与应用. 温志渝,王玲芳,陈刚.[J]光谱学与光谱分析,2010,8(30):2043-2048

5.量子级联激光器:从中红外到太赫兹. 光学与光电技术.刘峰奇[J].光学与光电技术,2017,5(15):1-5




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