高性能ICL激光器以創新開辟了中紅外領域超高靈敏度氣體傳感應用

來源:唯銳科技    關鍵詞:中紅外激光器, 傳感應用,    發布時間:2020-03-11

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Interband Cascade Lasers,即帶間級聯激光器,簡稱ICL激光器,是繼近紅外DFB激光器,中紅外QCL激光器之后的一個重要創新產品,尤其是在3~6μm波長領域填補了DFB激光器和QCL存在的不足。

目前,nanoplus是唯一一家能提供3000nm-6000nm之間任意中心波長的帶間級聯ICL激光器的廠家。在這個波長范圍內,大部分氣體都有其最強的吸收線,吸收強度比其它紅外區域高出幾個數量級,比如CH4,HCl,CH2O,HBr,CO,CO2,NO和H2O等。ICL激光器以創新開辟了中紅外領域TDLAS超高靈敏度氣體傳感應用。

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ICL激光器的發展歷程:

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1994 年美國加利福尼亞技術研究所噴氣推進實驗室的Rui.Q.Yang首先提出了第二型帶間級聯激光器(ICL)的概念。破隙型的InAs/AlSb/GaSb 超晶格具有較大的導帶不連續,能提供非常好的自由載流子限制,而且GaSb、InAs及AlSb 的晶格常數非常接近,有利于生長高質量材料,因此它很適合做第二型ICL 的材料。

第二型ICL的概念提出以后,理論預測它能夠在室溫下以連續波(CW) 模式激射,且具有高的輸出功率和低的閾值電流密度。許多研究機構對第二型ICL進行了大量的研究,其中包括休斯敦大學真空外延中心、美國海軍實驗室、美國陸軍實驗室和加利福尼亞技術研究所噴氣推進力實驗室等。直到2012年,第一個商業化ICL激光器獲得成功,由德國nanoplus公司聯合維爾茨堡大學等研究機構成功研制,已經成功推出了3~6μm 波長范圍的ICL激光器,在這個波長范圍內,具有非常多高靈敏度的氣體吸收線,比如CH4, HCl, CH2O, HBr, CO, CO2, NO和 H2O等,將會給激光氣體分析應用帶來全新的應用。

nanoplusICL激光器獲得2012年棱鏡獎:

nanoplus ICL帶間級聯激光器在2012年獲得由國際光學工程學會(SPIE)和Photonice Media共同評選出來的棱鏡光子學創新獎(Prism Award),并于2012年1月底在舊金山舉行頒獎典禮,以表彰nanoplus推出了創新性產品ICL激光器,波長覆蓋從3000nm到6000nm整個波長范圍,開辟了此波段的可調諧二極管激光光譜學的研究和應用。

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ICL激光器的主要特點:

目前ICL激光器的參數特性已經與近紅外DFB激光器參數非常相似,具有較低的閾值電流、常溫工作溫度、較高的輸出功率,和比較低的散熱。如下圖所示是46xx nm和52xx nm波長范圍內器件的典型特性參數,可見ICL激光器在20℃的工作溫度下,在輸出功率典型值為5mW的情況下,具有與普通近紅外DFB非常相似的參數特性,而且電路功耗閾值只有150mW,具有非常低的功耗。

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另外,以5262.9nmICL激光器作為例子:

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ICL激光器與DFB激光器和QCL激光器輻射原理比較:

1) DFB、ICL、QCL由不同的物質輻射不同波長范圍的光。

不同的發射波長基于不同的物質輻射,如圖下圖所示,藍色代表用于VCSEL、DFB結構的芯片材料,紅色代表用于ICL結構的芯片材料,綠色代表用于QCL結構的芯片材料。

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2)從可見光到紅外光輻射的基本復合方案。

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3)DFB、ICL、QCL激光器發射波長與閾值功率密度的關系。

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圖1. 激光器發射波長與閾值功率密度的關系

閾值功率密度是衡量激發激光需要消耗能量大小的指標,閾值功率密度越高,意味著同樣的光輸出功率需要輸入越高的電流,消耗越高的能量,并產生越多的熱量。如上圖所示,黑色代表DFB激光器,在2~3.5μm閾值功率密度越來越高,綠色和藍色代表ICL激光器,在3~7μm閾值功率密度越來越高,紅色代表QCL激光器,閾值功率密度相比DFB、ICL都要高,尤其是在4μm以內變得特別高。從上圖可以看出,DFB激光器在3微米以內具有較低的閾值功率密度,ICL激光器在3~6μm具有較低的閾值功率密度,QCL均具有較高的閾值功率密度。

ICL激光器的創新應用:

TDLAS使用中紅外ICL激光器作為發射光源有非常多的優勢,首先是選擇了大量痕量氣體的最強吸收線作為檢測對象,有助于提高檢測速度和檢測下限,能降低整個系統的噪聲,以及通過減小光程使得設備便攜和小型化。

比如ICL激光器用于機動車尾氣遙測:

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通過水平固定式或者垂直固定式的全激光機動車尾氣遙感監測系統,實時監測機動車行駛中尾氣排放的CO,CO2,HC(特別是C3H8),NO,NO2,N2O等氣體的成分,以及不透光度,能有效自動識別尾氣排放不達標的車輛和黑煙車,為解決機動車尾氣污染帶來了有效的手段,也為大氣污染治理提供了重要的數據。

又比如ICL激光器用于醫療呼氣分析:

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吹口氣就能檢測出患有什么疾病,是當下最流行的呼氣分析手段。醫療呼氣分析要求檢測手段具有非常高靈敏度和非常低的檢測下限,ICL激光器的出現正好解決了常規手段靈敏度不高的問題,常規呼出氣體比如CO2,CO,NO在中紅外區域具有最強的吸收線,可以準確地進行檢測,比如通過檢測呼出13CO2含量診斷是否攜帶幽門螺桿菌,通過檢測呼出氣體NO診斷是否哮喘等。

ICL激光器的未來發展:

目前,激光器已經基本上覆蓋從760nm到20μm的波長范圍,可以實現大部分氣體的檢測,尤其是中紅外高靈敏的氣體檢測,但激光器成本仍然偏高,制約了激光吸收光譜的廣泛應用。未來隨著激光器技術的不斷突破,工藝技術的成熟,激光器大批量生產以后,成本將得到大幅度下降,小型化、高度集成、低成本的激光器和氣體傳感器將成為必然趨勢。

隨著物聯網的到來,基于激光吸收光譜技術的應用將會大范圍推廣,除了工業、環保,也會進入到消費領域,進入千家萬戶成為家庭和個人消費品。激光吸收光譜技術將從分析儀器、儀表,走向傳感器領域,應該規模大大提高。

比如正在進行的一個歐洲項目MIRPHAB:化學傳感和光譜分析用紅外光電子器件制造。

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MIRPHAB項目聚集了中紅外激光器和探測器的主要生產廠家,將建立一條新的試產線來滿足歐洲在中紅外器件領域不斷增長的需求。歐盟希望能夠為各種中紅外器件提供從設計到制造封裝的端到端生產能力,滿足廣泛的紅外傳感應用。

通過大量引入集成電路/微機電器件技術,以及開發硅和Ⅲ-Ⅴ材料集成工藝模型,試產線將為傳感器帶來從未實現過的技術,開啟現有技術和器件不能帶來的許多應用,滿足下一代化學傳感和光譜分析需求,并顯著減少成本、功耗和尺寸。

ICL激光器的成熟和穩定將為MIRPHAB的成功帶來巨大的作用。

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