高性能ICL激光器以创新开辟了中红外领域超高灵敏度气体传感应用

来源:唯锐科技    关键词:中红外激光器, 传感应用,    发布时间:2020-03-11

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Interband Cascade Lasers,即带间级联激光器,简称ICL激光器,是继近红外DFB激光器,中红外QCL激光器之后的一个重要创新产品,尤其是在3~6μm波长领域填补了DFB激光器和QCL存在的不足。

目前,nanoplus是唯一一家能提供3000nm-6000nm之间任意中心波长的带间级联ICL激光器的厂家。在这个波长范围内,大部分气体都有其最强的吸收线,吸收强度比其它红外区域高出几个数量级,比如CH4,HCl,CH2O,HBr,CO,CO2,NO和H2O等。ICL激光器以创新开辟了中红外领域TDLAS超高灵敏度气体传感应用。

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ICL激光器的发展历程:

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1994 年美国加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室的Rui.Q.Yang首先提出了第二型带间级联激光器(ICL)的概念。破隙型的InAs/AlSb/GaSb 超晶格具有较大的导带不连续,能提供非常好的自由载流子限制,而且GaSb、InAs及AlSb 的晶格常数非常接近,有利于生长高质量材料,因此它很适合做第二型ICL 的材料。

第二型ICL的概念提出以后,理论预测它能够在室温下以连续波(CW) 模式激射,且具有高的输出功率和低的阈值电流密度。许多研究机构对第二型ICL进行了大量的研究,其中包括休斯敦大学真空外延中心、美国海军实验室、美国陆军实验室和加利福尼亚技术研究所喷气推进力实验室等。直到2012年,第一个商业化ICL激光器获得成功,由德国nanoplus公司联合维尔茨堡大学等研究机构成功研制,已经成功推出了3~6μm 波长范围的ICL激光器,在这个波长范围内,具有非常多高灵敏度的气体吸收线,比如CH4, HCl, CH2O, HBr, CO, CO2, NO和 H2O等,将会给激光气体分析应用带来全新的应用。

nanoplusICL激光器获得2012年棱镜奖:

nanoplus ICL带间级联激光器在2012年获得由国际光学工程学会(SPIE)和Photonice Media共同评选出来的棱镜光子学创新奖(Prism Award),并于2012年1月底在旧金山举行颁奖典礼,以表彰nanoplus推出了创新性产品ICL激光器,波长覆盖从3000nm到6000nm整个波长范围,开辟了此波段的可调谐二极管激光光谱学的研究和应用。

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ICL激光器的主要特点:

目前ICL激光器的参数特性已经与近红外DFB激光器参数非常相似,具有较低的阈值电流、常温工作温度、较高的输出功率,和比较低的散热。如下图所示是46xx nm和52xx nm波长范围内器件的典型特性参数,可见ICL激光器在20℃的工作温度下,在输出功率典型值为5mW的情况下,具有与普通近红外DFB非常相似的参数特性,而且电路功耗阈值只有150mW,具有非常低的功耗。

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另外,以5262.9nmICL激光器作为例子:

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ICL激光器与DFB激光器和QCL激光器辐射原理比较:

1) DFB、ICL、QCL由不同的物质辐射不同波长范围的光。

不同的发射波长基于不同的物质辐射,如图下图所示,蓝色代表用于VCSEL、DFB结构的芯片材料,红色代表用于ICL结构的芯片材料,绿色代表用于QCL结构的芯片材料。

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2)从可见光到红外光辐射的基本复合方案。

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3)DFB、ICL、QCL激光器发射波长与阈值功率密度的关系。

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图1. 激光器发射波长与阈值功率密度的关系

阈值功率密度是衡量激发激光需要消耗能量大小的指标,阈值功率密度越高,意味着同样的光输出功率需要输入越高的电流,消耗越高的能量,并产生越多的热量。如上图所示,黑色代表DFB激光器,在2~3.5μm阈值功率密度越来越高,绿色和蓝色代表ICL激光器,在3~7μm阈值功率密度越来越高,红色代表QCL激光器,阈值功率密度相比DFB、ICL都要高,尤其是在4μm以内变得特别高。从上图可以看出,DFB激光器在3微米以内具有较低的阈值功率密度,ICL激光器在3~6μm具有较低的阈值功率密度,QCL均具有较高的阈值功率密度。

ICL激光器的创新应用:

TDLAS使用中红外ICL激光器作为发射光源有非常多的优势,首先是选择了大量痕量气体的最强吸收线作为检测对象,有助于提高检测速度和检测下限,能降低整个系统的噪声,以及通过减小光程使得设备便携和小型化。

比如ICL激光器用于机动车尾气遥测:

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通过水平固定式或者垂直固定式的全激光机动车尾气遥感监测系统,实时监测机动车行驶中尾气排放的CO,CO2,HC(特别是C3H8),NO,NO2,N2O等气体的成分,以及不透光度,能有效自动识别尾气排放不达标的车辆和黑烟车,为解决机动车尾气污染带来了有效的手段,也为大气污染治理提供了重要的数据。

又比如ICL激光器用于医疗呼气分析:

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吹口气就能检测出患有什么疾病,是当下最流行的呼气分析手段。医疗呼气分析要求检测手段具有非常高灵敏度和非常低的检测下限,ICL激光器的出现正好解决了常规手段灵敏度不高的问题,常规呼出气体比如CO2,CO,NO在中红外区域具有最强的吸收线,可以准确地进行检测,比如通过检测呼出13CO2含量诊断是否携带幽门螺杆菌,通过检测呼出气体NO诊断是否哮喘等。

ICL激光器的未来发展:

目前,激光器已经基本上覆盖从760nm到20μm的波长范围,可以实现大部分气体的检测,尤其是中红外高灵敏的气体检测,但激光器成本仍然偏高,制约了激光吸收光谱的广泛应用。未来随着激光器技术的不断突破,工艺技术的成熟,激光器大批量生产以后,成本将得到大幅度下降,小型化、高度集成、低成本的激光器和气体传感器将成为必然趋势。

随着物联网的到来,基于激光吸收光谱技术的应用将会大范围推广,除了工业、环保,也会进入到消费领域,进入千家万户成为家庭和个人消费品。激光吸收光谱技术将从分析仪器、仪表,走向传感器领域,应该规模大大提高。

比如正在进行的一个欧洲项目MIRPHAB:化学传感和光谱分析用红外光电子器件制造。

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MIRPHAB项目聚集了中红外激光器和探测器的主要生产厂家,将建立一条新的试产线来满足欧洲在中红外器件领域不断增长的需求。欧盟希望能够为各种中红外器件提供从设计到制造封装的端到端生产能力,满足广泛的红外传感应用。

通过大量引入集成电路/微机电器件技术,以及开发硅和Ⅲ-Ⅴ材料集成工艺模型,试产线将为传感器带来从未实现过的技术,开启现有技术和器件不能带来的许多应用,满足下一代化学传感和光谱分析需求,并显著减少成本、功耗和尺寸。

ICL激光器的成熟和稳定将为MIRPHAB的成功带来巨大的作用。