Interband Cascade Lasers,即帶間級聯(lián)激光器,簡稱ICL激光器,是繼近紅外DFB激光器,中紅外QCL激光器之后的一個重要創(chuàng)新產(chǎn)品,尤其是在3~6μm波長領(lǐng)域填補了DFB激光器和QCL存在的不足。
目前,nanoplus是唯一一家能提供3000nm-6000nm之間任意中心波長的帶間級聯(lián)ICL激光器的廠家。在這個波長范圍內(nèi),大部分氣體都有其最強的吸收線,吸收強度比其它紅外區(qū)域高出幾個數(shù)量級,比如CH4,HCl,CH2O,HBr,CO,CO2,NO和H2O等。ICL激光器以創(chuàng)新開辟了中紅外領(lǐng)域TDLAS超高靈敏度氣體傳感應(yīng)用。
ICL激光器的發(fā)展歷程:
1994 年美國加利福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進實驗室的Rui.Q.Yang首先提出了第二型帶間級聯(lián)激光器(ICL)的概念。破隙型的InAs/AlSb/GaSb 超晶格具有較大的導帶不連續(xù),能提供非常好的自由載流子限制,而且GaSb、InAs及AlSb 的晶格常數(shù)非常接近,有利于生長高質(zhì)量材料,因此它很適合做第二型ICL 的材料。
第二型ICL的概念提出以后,理論預(yù)測它能夠在室溫下以連續(xù)波(CW) 模式激射,且具有高的輸出功率和低的閾值電流密度。許多研究機構(gòu)對第二型ICL進行了大量的研究,其中包括休斯敦大學真空外延中心、美國海軍實驗室、美國陸軍實驗室和加利福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進力實驗室等。直到2012年,第一個商業(yè)化ICL激光器獲得成功,由德國nanoplus公司聯(lián)合維爾茨堡大學等研究機構(gòu)成功研制,已經(jīng)成功推出了3~6μm 波長范圍的ICL激光器,在這個波長范圍內(nèi),具有非常多高靈敏度的氣體吸收線,比如CH4, HCl, CH2O, HBr, CO, CO2, NO和 H2O等,將會給激光氣體分析應(yīng)用帶來全新的應(yīng)用。
nanoplusICL激光器獲得2012年棱鏡獎:
nanoplus ICL帶間級聯(lián)激光器在2012年獲得由國際光學工程學會(SPIE)和Photonice Media共同評選出來的棱鏡光子學創(chuàng)新獎(Prism Award),并于2012年1月底在舊金山舉行頒獎典禮,以表彰nanoplus推出了創(chuàng)新性產(chǎn)品ICL激光器,波長覆蓋從3000nm到6000nm整個波長范圍,開辟了此波段的可調(diào)諧二極管激光光譜學的研究和應(yīng)用。
ICL激光器的主要特點:
目前ICL激光器的參數(shù)特性已經(jīng)與近紅外DFB激光器參數(shù)非常相似,具有較低的閾值電流、常溫工作溫度、較高的輸出功率,和比較低的散熱。如下圖所示是46xx nm和52xx nm波長范圍內(nèi)器件的典型特性參數(shù),可見ICL激光器在20℃的工作溫度下,在輸出功率典型值為5mW的情況下,具有與普通近紅外DFB非常相似的參數(shù)特性,而且電路功耗閾值只有150mW,具有非常低的功耗。
另外,以5262.9nmICL激光器作為例子:
ICL激光器與DFB激光器和QCL激光器輻射原理比較:
1) DFB、ICL、QCL由不同的物質(zhì)輻射不同波長范圍的光。
不同的發(fā)射波長基于不同的物質(zhì)輻射,如圖下圖所示,藍色代表用于VCSEL、DFB結(jié)構(gòu)的芯片材料,紅色代表用于ICL結(jié)構(gòu)的芯片材料,綠色代表用于QCL結(jié)構(gòu)的芯片材料。
2)從可見光到紅外光輻射的基本復(fù)合方案。
3)DFB、ICL、QCL激光器發(fā)射波長與閾值功率密度的關(guān)系。
圖1. 激光器發(fā)射波長與閾值功率密度的關(guān)系
閾值功率密度是衡量激發(fā)激光需要消耗能量大小的指標,閾值功率密度越高,意味著同樣的光輸出功率需要輸入越高的電流,消耗越高的能量,并產(chǎn)生越多的熱量。如上圖所示,黑色代表DFB激光器,在2~3.5μm閾值功率密度越來越高,綠色和藍色代表ICL激光器,在3~7μm閾值功率密度越來越高,紅色代表QCL激光器,閾值功率密度相比DFB、ICL都要高,尤其是在4μm以內(nèi)變得特別高。從上圖可以看出,DFB激光器在3微米以內(nèi)具有較低的閾值功率密度,ICL激光器在3~6μm具有較低的閾值功率密度,QCL均具有較高的閾值功率密度。
ICL激光器的創(chuàng)新應(yīng)用:
TDLAS使用中紅外ICL激光器作為發(fā)射光源有非常多的優(yōu)勢,首先是選擇了大量痕量氣體的最強吸收線作為檢測對象,有助于提高檢測速度和檢測下限,能降低整個系統(tǒng)的噪聲,以及通過減小光程使得設(shè)備便攜和小型化。
比如ICL激光器用于機動車尾氣遙測:
通過水平固定式或者垂直固定式的全激光機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng),實時監(jiān)測機動車行駛中尾氣排放的CO,CO2,HC(特別是C3H8),NO,NO2,N2O等氣體的成分,以及不透光度,能有效自動識別尾氣排放不達標的車輛和黑煙車,為解決機動車尾氣污染帶來了有效的手段,也為大氣污染治理提供了重要的數(shù)據(jù)。
又比如ICL激光器用于醫(yī)療呼氣分析:
吹口氣就能檢測出患有什么疾病,是當下最流行的呼氣分析手段。醫(yī)療呼氣分析要求檢測手段具有非常高靈敏度和非常低的檢測下限,ICL激光器的出現(xiàn)正好解決了常規(guī)手段靈敏度不高的問題,常規(guī)呼出氣體比如CO2,CO,NO在中紅外區(qū)域具有最強的吸收線,可以準確地進行檢測,比如通過檢測呼出13CO2含量診斷是否攜帶幽門螺桿菌,通過檢測呼出氣體NO診斷是否哮喘等。
ICL激光器的未來發(fā)展:
目前,激光器已經(jīng)基本上覆蓋從760nm到20μm的波長范圍,可以實現(xiàn)大部分氣體的檢測,尤其是中紅外高靈敏的氣體檢測,但激光器成本仍然偏高,制約了激光吸收光譜的廣泛應(yīng)用。未來隨著激光器技術(shù)的不斷突破,工藝技術(shù)的成熟,激光器大批量生產(chǎn)以后,成本將得到大幅度下降,小型化、高度集成、低成本的激光器和氣體傳感器將成為必然趨勢。
隨著物聯(lián)網(wǎng)的到來,基于激光吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用將會大范圍推廣,除了工業(yè)、環(huán)保,也會進入到消費領(lǐng)域,進入千家萬戶成為家庭和個人消費品。激光吸收光譜技術(shù)將從分析儀器、儀表,走向傳感器領(lǐng)域,應(yīng)該規(guī)模大大提高。
比如正在進行的一個歐洲項目MIRPHAB:化學傳感和光譜分析用紅外光電子器件制造。
MIRPHAB項目聚集了中紅外激光器和探測器的主要生產(chǎn)廠家,將建立一條新的試產(chǎn)線來滿足歐洲在中紅外器件領(lǐng)域不斷增長的需求。歐盟希望能夠為各種中紅外器件提供從設(shè)計到制造封裝的端到端生產(chǎn)能力,滿足廣泛的紅外傳感應(yīng)用。
通過大量引入集成電路/微機電器件技術(shù),以及開發(fā)硅和Ⅲ-Ⅴ材料集成工藝模型,試產(chǎn)線將為傳感器帶來從未實現(xiàn)過的技術(shù),開啟現(xiàn)有技術(shù)和器件不能帶來的許多應(yīng)用,滿足下一代化學傳感和光譜分析需求,并顯著減少成本、功耗和尺寸。
ICL激光器的成熟和穩(wěn)定將為MIRPHAB的成功帶來巨大的作用。
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