近日，濱松光子學株式會社在日本國家研究開發(fā)法人新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）主辦的“實現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā)”項目中，利用獨自的微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和光學封裝技術(shù)，成功開發(fā)出世界上最小尺寸的波長掃描量子級聯(lián)激光器(QCL)，其體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。通過將其與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)了高速操作和外圍電路簡化，同時作為光源安裝在分析設(shè)備上，使可便攜的小型分析設(shè)備的開發(fā)成為現(xiàn)實。

在本開發(fā)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(shè)備的維修性，目標是實現(xiàn)在火山口附近對火山氣體成分的長期和穩(wěn)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。

圖1 世界上最小尺寸的波長掃描QCL，體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150

概要

在火山爆發(fā)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(jiān)測是火山爆發(fā)預測的常規(guī)方法。目前許多研究機構(gòu)在火山口附近安裝了電化學傳感器分析設(shè)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(xiàn)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(jiān)測的長期穩(wěn)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(shè)備則具有無需大量保養(yǎng)，還具有高靈敏度并長時穩(wěn)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(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(產(chǎn)綜研)的“實現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā)”※1項目，積極投入研究和開發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)。 濱松公司正在該項目中承擔了分析設(shè)備光源的小型化任務，并成功開發(fā)出中紅外光※2在7-8微米（μm，μ為百萬分之一）范圍內(nèi)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）。※3（圖1、圖2、表）。本次新開發(fā)的產(chǎn)品是通過將其與產(chǎn)綜研開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了高速操作和外圍電路簡化，作為光源安裝在分析設(shè)備上，實現(xiàn)了可便攜的小型化分析設(shè)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(xiàn)長時間穩(wěn)定地對火山口附近氣體進行實時監(jiān)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(chǎn)品特點 

1、開發(fā)了世界上最小的波長掃描QCL，體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。 

公司利用獨自的MEMS技術(shù)，對占據(jù)了QCL的大部分體積的MEMS衍射光柵※4進行完全的重新設(shè)計，成功開發(fā)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(shù)，以0.1微米為單位的高精度實現(xiàn)部件的組裝，實現(xiàn)了世界上最小的波長掃描QCL，其體積約為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/150。 

2、實現(xiàn)中紅外光在波長7～8μm的范圍內(nèi)的周期性變化輸出 

濱松利用多年積累的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)※5通過搭載新開發(fā)的QCL元件，實現(xiàn)中紅外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波長范圍內(nèi)的掃描輸出。同時，我們還開發(fā)了可變波長QCL，可以從7-8μm范圍內(nèi)選擇特定波長進行輸出。 

3、可高速獲取中紅外光的連續(xù)光譜 

與產(chǎn)綜研傳感系統(tǒng)研究中心開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)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(nèi)獲取中紅外光的連續(xù)光譜，可捕捉和分析隨時間快速變化的現(xiàn)象。

圖2 波長掃描QCL的結(jié)構(gòu)

表 本次開發(fā)的波長掃描QCL的主要規(guī)格

未來計劃

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

“注釋”

 *1 實現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) 項目名稱:實現(xiàn)IoT社會的創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) / 創(chuàng)新傳感技術(shù)開發(fā) / 波長掃描中紅外激光器 研究開發(fā)新一代火山氣體防災技術(shù) 業(yè)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(lián)激光器(QCL)是一種通過在發(fā)光層中采用量子結(jié)構(gòu)，可以在中紅外到遠紅外的波長范圍內(nèi)獲得高輸出功率的半導體激光光源。波長掃描量子級聯(lián)激光器是將從量子級聯(lián)激光器發(fā)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(fā)生快速變化，從而實現(xiàn)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(qū)分不同波長光的光學元件。 

*5 量子結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù) 是一種利用納米級超薄膜半導體疊層產(chǎn)生的量子效應的器件設(shè)計技術(shù)。在該開發(fā)中，濱松公司在QCL的發(fā)光層采用了獨有的反交叉雙重高能態(tài)結(jié)構(gòu)（AnticrossDAUTM ）。