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在許多工業(yè)生產(chǎn)中，廢氣的產(chǎn)生是必然的。它們往往成分復(fù)雜，既可能成為生產(chǎn)的安全隱患，又是大氣環(huán)保的大敵之一。無(wú)論是想污染溯源，還是期望最后的針對(duì)性治理，監(jiān)測(cè)都是第一環(huán)。在線氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是讓污染環(huán)境的“小惡魔”無(wú)處遁形的利器，是否能拿下治理廢氣的“Frist Blood”，就看它的本事了。

對(duì)于成分復(fù)雜的氣體，光學(xué)的FT-IR法在在線監(jiān)測(cè)中是比較常見(jiàn)的。其具備極高的精度，且可以保證監(jiān)測(cè)氣體種類(lèi)的廣泛性。同樣是光學(xué)法，使用量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的紅外氣體分析法（QCLAS），也活躍在污染氣體監(jiān)測(cè)的前線。因?yàn)榛诘氖羌す饧夹g(shù)，因此相對(duì)FT-IR，在距離和定向性方面有更好的表現(xiàn)，可進(jìn)行在更遠(yuǎn)距離下更精準(zhǔn)范圍的測(cè)量。

可惜的是受工藝限制，一直以來(lái)，每款QCL都有其特定的波長(zhǎng)范圍且較為狹窄，各自只能針對(duì)某幾類(lèi)氣體。如果成分復(fù)雜且廣泛，比如像VOC一類(lèi)的氣體，這種方法是不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)的在線檢測(cè)的。

不同分子的氣體都有其固定的、獨(dú)有的特征吸收峰，我們根據(jù)這些吸收峰的位置進(jìn)行識(shí)別，從而分辨出是哪種氣體以及濃度大小，這些吸收峰我們也稱(chēng)之為“分子的指紋峰”，利用中紅外光指紋峰來(lái)判斷氣體的種類(lèi)和濃度，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于氣體測(cè)定中。

然而，下面這一個(gè)的巴掌大的“小小盒子”——波長(zhǎng)外腔調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）模塊，將改變這一現(xiàn)狀。

濱松波長(zhǎng)外腔調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）模塊 L14890-09

波長(zhǎng)外腔調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）模塊L14890-09是濱松剛推出不久的一款新QCL產(chǎn)品。波長(zhǎng)調(diào)諧范圍在7.84um~11.14um，峰值功率為600mW（typ.），往返頻掃（全范圍調(diào)諧）頻率達(dá)1.8KHz。

在中紅外光譜應(yīng)用上，相比較于傳統(tǒng)的FT-IR方法，這個(gè)新型的QCL模塊充分利用激光的定向能和寬頻掃特性，可實(shí)現(xiàn)中紅外光譜的遠(yuǎn)程、非接觸式、高通量、高精度測(cè)量。在污染氣體監(jiān)測(cè)中，也就可以實(shí)現(xiàn)我們上面提到的，同時(shí)滿(mǎn)足在更遠(yuǎn)距離下的測(cè)量，以及多種氣體的同時(shí)高精度在線監(jiān)測(cè)。

QCL模塊L14890-09的甲烷氣體吸收的測(cè)定

此外，在其他中紅外應(yīng)用中，這個(gè)QCL小盒子也被給予了期望。例如應(yīng)用在無(wú)創(chuàng)小型血糖儀中。日本東北大學(xué)松浦祐司教授進(jìn)行的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，使用QCL模塊 L14890-09 測(cè)定和通過(guò)血液采樣測(cè)量的血糖值結(jié)果接近。而在其他的塑料檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，也得到了可觀的數(shù)據(jù)結(jié)果（見(jiàn)下圖）：

Polystyrene film Measurement result

Data provided by Mr.Hiromitsu Furukawa, Electronics and Photonics Research Institute, NationalInstitute of Advanced Industrial Science and Technology

要實(shí)現(xiàn)QCL這樣的性能，并不是一件簡(jiǎn)單的事情，主要通過(guò)內(nèi)部器件獨(dú)特的優(yōu)化，以及結(jié)構(gòu)精密設(shè)計(jì)的加持。正因如此，QCL模塊L14890-09也獲得了2018日本文部科學(xué)省納米技術(shù)平臺(tái)事業(yè)部授予的“最佳成果獎(jiǎng)”。那我們就來(lái)看看，在它的內(nèi)部都有什么神仙操作。

把這個(gè)QCL模塊打開(kāi)，里面裝著自主研發(fā)的三項(xiàng)實(shí)現(xiàn)外腔調(diào)諧的核心技術(shù)：

簡(jiǎn)要圖示如下：

利用了濱松獨(dú)特的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，這個(gè)QCL小模塊內(nèi)的QCL芯片采用了一種反交叉雙重高能態(tài)結(jié)構(gòu)（AnticrossDAUTM）。而在QCL芯片的發(fā)射截面上，則制成了多層增透膜，它可以保證從截面發(fā)出的激光，在到達(dá)光柵前零損耗。芯片產(chǎn)生的寬帶光再通過(guò)MEMS衍射光柵的傾斜來(lái)選頻，實(shí)現(xiàn)了特定波長(zhǎng)的完全反射和諧振。

模塊在工作的時(shí)候，電控MEMS衍射光柵可高速擺動(dòng)以改變其傾角，進(jìn)而周期性地改變衍射角度、即改變諧振光的波長(zhǎng)，最終使模塊實(shí)現(xiàn)中紅外激光的波長(zhǎng)掃描。相對(duì)于已有的利用電機(jī)使鏡面機(jī)械式運(yùn)動(dòng)來(lái)改變波長(zhǎng)的QCL模塊，電控MEMS衍射光柵可以達(dá)到更快的波長(zhǎng)調(diào)諧，且衍射器件的微型化也使得模塊更加的緊湊（8.2×8.8×11.2 cm），易于裝配。

濱松在QCL的開(kāi)發(fā)上一直都朝前推進(jìn)著。繼波長(zhǎng)外腔調(diào)諧QCL模塊后，一款新的低功耗QCL也踏著小碎步緊接著在今年初面世啦！

和以前的QCL不一樣的是，這個(gè)新成員采用的是蝶形（Tall-Butterfly）封裝。繼承了原來(lái)HHL封裝QCL的優(yōu)點(diǎn)，CW功率保證不低于15mW的情況下，在閾值電流、最大電流、芯片功耗及總功耗方面均有大幅度優(yōu)化。芯片工作溫度在10～65℃，甚至某些高溫芯片無(wú)需外部風(fēng)冷，完全可以滿(mǎn)足日常環(huán)境下的使用要求。且緊湊小巧，重量?jī)H16g，適合于集成到氣體分析設(shè)備之內(nèi)。

針對(duì)于紅外氣體分析的應(yīng)用，濱松可提供包括QCL以及紅外探測(cè)器在內(nèi)的全套解決方案。在空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻的現(xiàn)在，我們也希望通過(guò)推進(jìn)基礎(chǔ)核心技術(shù)的發(fā)展，為環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用帶來(lái)更多的支持和可能。