高性能ICL激光器開(kāi)辟中紅外領(lǐng)域超高靈敏度氣體傳感應(yīng)用

Interband Cascade Lasers，即帶間級(jí)聯(lián)激光器，簡(jiǎn)稱ICL接近紅外線的激光器DFB中紅外激光器QCL激光后的重要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品，特別是3~6μm填補(bǔ)了波長(zhǎng)領(lǐng)域DFB激光器和QCL存在的不足。

目前，nanoplus唯一能提供3000nm－6000nm任何中心之間波長(zhǎng)的帶間級(jí)聯(lián)ICL激光制造商。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大多數(shù)氣體都有較強(qiáng)的吸收線，吸收強(qiáng)度比其他紅外區(qū)域高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，比如CH 4，HCl，CH 2O，HBr，CO，CO 2，NO和H 2O等。ICL激光器以創(chuàng)新開(kāi)辟了中紅外領(lǐng)域TDLAS超高靈敏度氣體傳感應(yīng)用。

ICL激光器的發(fā)展過(guò)程：

1994 美國(guó)加利福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室Rui．Q．Yang第二型帶間級(jí)聯(lián)激光器首先提出（ICL）的概念。破隙型的InAs／AlSb／GaSb 超晶格導(dǎo)帶不連續(xù)，可提供很好的自由載流子限制GaSb、InAs及AlSb 晶格常數(shù)非常接近，有利于優(yōu)質(zhì)材料的生長(zhǎng)，非常適合第二型ICL 的材料。

第二型ICL概念提出后，理論預(yù)測(cè)它可以在室溫下連續(xù)波動(dòng)（CW） 模式激射，輸出功率高，閾值電流密度低。許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)第二型進(jìn)行了第二型ICL休斯敦大學(xué)真空外延中心、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室、加州技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)力實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行了大量研究。直到2012年，第一個(gè)商業(yè)化ICL德國(guó)激光器的成功nanoplus公司與維爾茨堡大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)合作，成功開(kāi)發(fā)了3~6μm 波長(zhǎng)范圍的ICL在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，激光器有許多高靈敏度的氣體吸收線，如CH 4，HCl，CH 2O，HBr，CO，CO 2，NO和H 2O等，它將為激光氣體分析應(yīng)用帶來(lái)新的應(yīng)用。

nanoplusICL2012年激光獲得棱鏡獎(jiǎng)：

nanoplus ICL2012年國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)獲得帶間級(jí)聯(lián)激光（SPIE）和Photonice Media棱鏡光子學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)共同評(píng)選（Pri Award），并于2012年1月底在舊金山舉行頒獎(jiǎng)典禮nanoplus推出創(chuàng)新產(chǎn)品ICL激光器，波長(zhǎng)覆蓋從3000nm到6000nm本波段可調(diào)二極管激光光譜學(xué)的研究與應(yīng)用辟了整個(gè)波長(zhǎng)范圍。

ICL激光器的主要特點(diǎn)：

目前ICL近紅外激光器的參數(shù)特性DFB激光參數(shù)非常相似，閾值電流低，常溫工作溫度高，輸出功率高，散熱量低。46如下圖所示xx nm和52xx nm可以看到波長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)備的典型特征參數(shù)ICL激光器在20℃在工作溫度下，輸出功率的典型值為5mW在這種情況下，它與普通近紅外有關(guān)DFB參數(shù)特性非常相似，電路功耗閾值僅為150mW，功耗很低。

另外，以5262.9nm ICL以激光為例：

ICL激光器與DFB激光器和QCL激光輻射原理比較：

1） DFB、ICL、QCL不同物質(zhì)輻射不同波長(zhǎng)范圍的光。

不同的發(fā)射波長(zhǎng)基于不同的物質(zhì)輻射，如下圖所示，藍(lán)色代表VCSEL、DFB結(jié)構(gòu)芯片材料，紅色代表ICL結(jié)構(gòu)芯片材料，綠色代表QCL芯片材料的結(jié)構(gòu)。

2)從可見(jiàn)光到紅外光輻射的基本復(fù)合方案。

3）DFB、ICL、QCL激光發(fā)射波長(zhǎng)與閾值功率密度的關(guān)系。

圖1． 激光發(fā)射波長(zhǎng)與閾值功率密度的關(guān)系

閾值功率密度是衡量激光消耗能量的指標(biāo)。閾值功率密度越高，相同的光輸出功率輸入的電流越高，能量消耗越高，產(chǎn)生的熱量就越多。如上圖所示，黑色代表DFB2~3激光器.5μm閾值功率密度越來(lái)越高，綠色和藍(lán)色代表ICL3~7激光器μm閾值功率密度越來(lái)越高，紅色代表QCL與激光器相比，閾值功率密度DFB、ICL都要高，尤其是4μm內(nèi)部變得特別高。從上圖可以看出，DFB3微米以內(nèi)激光器閾值功率密度較低，ICL激光器在3～6μm閾值功率密度較低，QCL閾值功率密度高。

ICL激光器的創(chuàng)新應(yīng)用：

TDLAS使用中紅外ICL激光作為發(fā)射光源有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，選擇大量痕跡氣體的較強(qiáng)吸收線作為檢測(cè)對(duì)象，有助于提高檢測(cè)速度和檢測(cè)下限，降低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲，通過(guò)降低光程使設(shè)備便攜、小型化。

比如ICL機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙測(cè)激光器：

全激光機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)水平固定或垂直固定實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放CO，CO 2，HC（特別是C 3H 8），NO，NO 2，N 2O氣體成分和不透光度，能有效自動(dòng)識(shí)別尾氣排放不合格的車(chē)輛和黑煙車(chē)，為解決機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染帶來(lái)有效手段，它還為空氣污染控制提供了重要數(shù)據(jù)。

又比如ICL醫(yī)療呼氣分析激光：

呼氣分析是目前較流行的呼氣分析方法，可以通過(guò)吹口氣來(lái)檢測(cè)疾病。醫(yī)學(xué)呼氣分析要求檢測(cè)手段具有很高的靈敏度和很低的檢測(cè)下限，ICL激光器的出現(xiàn)正好解決了常規(guī)手段靈敏度低的問(wèn)題，如常規(guī)呼出氣體CO 2，CO，NO中紅外地區(qū)吸收線較強(qiáng)，可準(zhǔn)確檢測(cè)，如通過(guò)檢測(cè)呼出 13CO 通過(guò)檢測(cè)呼出氣體，診斷是否攜帶幽門(mén)螺桿菌。NO診斷哮喘等。

ICL未來(lái)激光器的發(fā)展：

目前激光器已基本覆蓋760nm到20μm波長(zhǎng)范圍可以檢測(cè)大多數(shù)氣體，特別是中紅外高靈敏度氣體，但激光成本仍然很高，限制了激光吸收光譜的廣泛應(yīng)用。未來(lái)，隨著激光技術(shù)的不斷突破和工藝技術(shù)的成熟，激光批量生產(chǎn)后成本將大幅下降，小型化、高集成、低成本的激光和氣體傳感器將成為必然趨勢(shì)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的到來(lái)，基于激光吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用將得到廣泛推廣。除了工業(yè)和環(huán)境保護(hù)外，它還將進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域，成千上萬(wàn)的家庭將成為家庭和個(gè)人消費(fèi)品。激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)大大提高從分析儀器、儀器到傳感器的規(guī)模。

例如，正在進(jìn)行的歐洲項(xiàng)目MIRPHAB：紅外光電子器件用于化學(xué)傳感和光譜分析。

MIRPHAB該項(xiàng)目聚集了中紅外激光器和探測(cè)器的主要制造商，并將建立一條新的試生產(chǎn)線，以滿足歐洲在中紅外設(shè)備領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需求。歐盟希望為各種中紅外設(shè)備提供端到端的生產(chǎn)能力，以滿足廣泛的紅外傳感應(yīng)用。

硅和Ⅲ－Ⅴ在材料集成工藝模型中，試生產(chǎn)線將為傳感器帶來(lái)前所未有的技術(shù)，開(kāi)啟許多現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備無(wú)法帶來(lái)的應(yīng)用，滿足下一代化學(xué)傳感和光譜分析的需要，顯著降低成本、功耗和尺寸。