远距遥测污染源，多组份气体监测还可这样做！

2019.6.25

在许多工业生产中，废气的产生是必然的。它们往往成分复杂，既可能成为生产的安全隐患，又是大气环保的大敌之一。无论是想污染溯源，还是期望最后的针对性治理，监测都是第一环。在线气体监测系统，就是让污染环境的“小恶魔”无处遁形的利器，是否能拿下治理废气的“Frist Blood”，就看它的本事了。

对于成分复杂的气体，光学的FT-IR法在在线监测中是比较常见的。其具备极高的精度，且可以保证监测气体种类的广泛性。同样是光学法，使用量子级联激光器（QCL）的红外气体分析法（QCLAS），也活跃在污染气体监测的前线。因为基于的是激光技术，因此相对FT-IR，在距离和定向性方面有更好的表现，可进行在更远距离下更精准范围的测量。

可惜的是受工艺限制，一直以来，每款QCL都有其特定的波长范围且较为狭窄，各自只能针对某几类气体。如果成分复杂且广泛，比如像VOC一类的气体，这种方法是不能实现同时的在线检测的。

不同分子的气体都有其固定的、独有的特征吸收峰，我们根据这些吸收峰的位置进行识别，从而分辨出是哪种气体以及浓度大小，这些吸收峰我们也称之为“分子的指纹峰”，利用中红外光指纹峰来判断气体的种类和浓度，已经广泛地应用于气体测定中。

然而，下面这一个的巴掌大的“小小盒子”——波长外腔调谐量子级联激光器（QCL）模块，将改变这一现状。

滨松波长外腔调谐量子级联激光器（QCL）模块 L14890-09

波长调谐范围：7.84um~11.14um

QCLAS能实现多种气体的同时监测了！

波长外腔调谐量子级联激光器（QCL）模块L14890-09是滨松刚推出不久的一款新QCL产品。波长调谐范围在7.84um~11.14um，峰值功率为600mW（typ.），往返频扫（全范围调谐）频率达1.8KHz。

在中红外光谱应用上，相比较于传统的FT-IR方法，这个新型的QCL模块充分利用激光的定向能和宽频扫特性，可实现中红外光谱的远程、非接触式、高通量、高精度测量。在污染气体监测中，也就可以实现我们上面提到的，同时满足在更远距离下的测量，以及多种气体的同时高精度在线监测。

甲烷.png

QCL模块L14890-09的甲烷气体吸收的测定

此外，在其他中红外应用中，这个QCL小盒子也被给予了期望。例如应用在无创小型血糖仪中。日本东北大学松浦祐司教授进行的一项研究中发现，使用QCL模块 L14890-09 测定和通过血液采样测量的血糖值结果接近。而在其他的塑料检测实验中，也得到了可观的数据结果（见下图）：

与 FTIR的对比.png

Polystyrene film Measurement result

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

打开这个QCL模块，看看它的小秘密

这些神仙性能是怎么炼成的？

要实现QCL这样的性能，并不是一件简单的事情，主要通过内部器件独特的优化，以及结构精密设计的加持。正因如此，QCL模块L14890-09也获得了2018日本文部科学省纳米技术平台事业部授予的“最佳成果奖”。那我们就来看看，在它的内部都有什么神仙操作。

把这个QCL模块打开，里面装着自主研发的三项实现外腔调谐的核心技术：

· 新开发的宽谱增益的QCL芯片

· MEMS衍射光栅

· 高效率的增透膜

简要图示如下：

内部结构.png

利用了滨松独特的量子结构设计技术，这个QCL小模块内的QCL芯片采用了一种反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM）。而在QCL芯片的发射截面上，则制成了多层增透膜，它可以保证从截面发出的激光，在到达光栅前零损耗。芯片产生的宽带光再通过MEMS衍射光栅的倾斜来选频，实现了特定波长的完全反射和谐振。

模块在工作的时候，电控MEMS衍射光栅可高速摆动以改变其倾角，进而周期性地改变衍射角度、即改变谐振光的波长，最终使模块实现中红外激光的波长扫描。相对于已有的利用电机使镜面机械式运动来改变波长的QCL模块，电控MEMS衍射光栅可以达到更快的波长调谐，且衍射器件的微型化也使得模块更加的紧凑（8.2×8.8×11.2 cm），易于装配。

说到这里，还有一款新的低功耗QCL

也来了解下吧！

滨松在QCL的开发上一直都朝前推进着。继波长外腔调谐QCL模块后，一款新的低功耗QCL也踏着小碎步紧接着在今年初面世啦！

蝶形封装.png

和以前的QCL不一样的是，这个新成员采用的是蝶形（Tall-Butterfly）封装。继承了原来HHL封装QCL的优点，CW功率保证不低于15mW的情况下，在阈值电流、最大电流、芯片功耗及总功耗方面均有大幅度优化。芯片工作温度在10～65℃，甚至某些高温芯片无需外部风冷，完全可以满足日常环境下的使用要求。且紧凑小巧，重量仅16g，适合于集成到气体分析设备之内。