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    濱松開發出世界上最小波長掃描量子級聯激光器,有望用于便攜式火山氣體監測系統光源
    發布時間:2021-08-20

    此次,濱松光子學株式會社在日本國家研究開發法人新能源與產業技術開發組織(NEDO)主辦的“實現IoT社會的創新傳感技術開發”項目中,利用獨自的微機電系統(MEMS)技術和光學封裝技術,成功開發出世界上最小尺寸的波長掃描量子級聯激光器(QCL),其體積約為傳統產品的1/150。通過將其與日本產業技術研究所開發的驅動系統結合,實現了高速操作和外圍電路簡化,同時作為光源安裝在分析設備上,使可便攜的小型分析設備的開發成為現實。


    在本開發項目中,我們提高了二氧化硫(SO2)和硫化氫(H2S)的探測靈敏度以及設備的維修性,目標是實現在火山口附近對火山氣體成分的長期和穩定的檢測。此外,它還可以應用于化工廠和下水道中有毒氣體的泄漏檢測和大氣測量等。


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    圖1 世界上最小尺寸的波長掃描QCL,體積約為傳統產品的1/150

    概要

    在火山爆發的前幾個月,火山氣體中的二氧化硫(SO2)或硫化氫(H2S)等濃度會開始逐漸上升,因此對該氣體濃度的監測是火山爆發預測的常規方法。目前許多研究機構在火山口附近安裝了電化學傳感器分析設備,通過電極檢測來實時分析火山氣體的成分。但由于電極與火山氣體的接觸,容易出現壽命變短和性能降低的問題,因此除了定期更換部件等維護,監測的長期穩定性也是一個難題。這樣,長壽命光源和全光學光電檢測器分析設備則具有無需大量保養,還具有高靈敏度并長時穩定地進行成分分析的特點。目前因為光源的尺寸較大,尙難以將其安裝在火山口附近。 


    在此背景下,濱松從2020年開始,參與了NEDO與產業技術綜合開發機構(產綜研)的“實現IoT社會的創新傳感技術開發”※1項目,積極投入研究和開發具有全光學,小尺寸,高靈敏度和高可維護性特點的新一代火山氣體監測系統。 濱松公司正在該項目中承擔了分析設備光源的小型化任務,并成功開發出中紅外光※2在7-8微米(μm,μ為百萬分之一)范圍內可高速改變輸出功率的世界上最小尺寸波長掃描QCL(Quantum Cascade Laser)?!?(圖1、圖2、表)。本次新開發的產品是通過將其與產綜研開發的驅動系統相結合,實現了高速操作和外圍電路簡化,作為光源安裝在分析設備上,實現了可便攜的小型化分析設備。此外,本項目的目標是進一步提高靈敏度和可維護性,實現長時間穩定地對火山口附近氣體進行實時監測。同時也有望應用于化工廠和下水道的有毒氣體泄漏檢測和大氣測量等用途。


    產品特點 

    1、開發了世界上最小的波長掃描QCL,體積約為傳統產品的1/150。 

    公司利用獨自的MEMS技術,對占據了QCL的大部分體積的MEMS衍射光柵※4進行完全的重新設計,成功開發出新的尺寸約為以前1/10的MEMS衍射光柵。此外,通過采用小型磁鐵,減少了不必要的空間,并采用獨特的光學封裝技術,以0.1微米為單位的高精度實現部件的組裝,實現了世界上最小的波長掃描QCL,其體積約為傳統產品的1/150。 


    2、實現中紅外光在波長7~8μm的范圍內的周期性變化輸出 

    濱松利用多年積累的量子結構設計技術※5通過搭載新開發的QCL元件,實現中紅外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波長范圍內的掃描輸出。同時,我們還開發了可變波長QCL,可以從7-8μm范圍內選擇特定波長進行輸出。 


    3、可高速獲取中紅外光的連續光譜 

    與產綜研傳感系統研究中心開發的驅動系統相結合,實現波長掃描QCL的高速波長掃描。它可以在不到20毫秒的時間內獲取中紅外光的連續光譜,可捕捉和分析隨時間快速變化的現象。


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    圖2 波長掃描QCL的結構


    表 本次開發的波長掃描QCL的主要規格

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    未來計劃

    濱松公司將與NEDO和產綜研進一步構建新型高靈敏度和高可維護性的火山氣體監測系統,同時推進多點觀測等實地測試。此外,公司將在2022年度內推出將該產品與驅動電路或與本司光電探測器相結合的模塊化產品,以擴大中紅外光的應用。 


    “注釋”

     *1 實現IoT社會的創新傳感技術開發 項目名稱:實現IoT社會的創新傳感技術開發 / 創新傳感技術開發 / 波長掃描中紅外激光器 研究開發新一代火山氣體防災技術 業務和項目簡介:https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html 

    *2 中紅外光 是一種波長比可見光長的紅外光,一般把波長在4-10μm之間的紅外光稱為中紅外光。 

    *3 波長掃描QCL(Quantum Cascade Laser) 量子級聯激光器(QCL)是一種通過在發光層中采用量子結構,可以在中紅外到遠紅外的波長范圍內獲得高輸出功率的半導體激光光源。波長掃描量子級聯激光器是將從量子級聯激光器發出的中紅外光進行分光,反射到MEMS衍射光柵,再通過對MEMS衍射光柵進行電控,使其的傾斜面發生快速變化,從而實現中紅外光的波長快速變化并輸出。

     *4 MEMS衍射光柵 通過電流工作的小型衍射光柵。衍射光柵是一種利用不同波長的光衍射角度的差異來區分不同波長光的光學元件。 

    *5 量子結構設計技術 是一種利用納米級超薄膜半導體疊層產生的量子效應的器件設計技術。在該開發中,濱松公司在QCL的發光層采用了獨有的反交叉雙重高能態結構(AnticrossDAUTM )。

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