高性能ICL激光器开辟中红外领域超高灵敏度气体传感应用

Interband Cascade Lasers，即带间级联激光器，简称ICL接近红外线的激光器DFB中红外激光器QCL激光后的重要创新产品，特别是3~6μm填补了波长领域DFB激光器和QCL存在的不足。

目前，nanoplus唯一能提供3000nm－6000nm任何中心之间波长的带间级联ICL激光制造商。在这个波长范围内，大多数气体都有较强的吸收线，吸收强度比其他红外区域高几个数量级，比如CH 4，HCl，CH 2O，HBr，CO，CO 2，NO和H 2O等。ICL激光器以创新开辟了中红外领域TDLAS超高灵敏度气体传感应用。

ICL激光器的发展过程：

1994 美国加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室Rui．Q．Yang第二型带间级联激光器首先提出（ICL）的概念。破隙型的InAs／AlSb／GaSb 超晶格导带不连续，可提供很好的自由载流子限制GaSb、InAs及AlSb 晶格常数非常接近，有利于优质材料的生长，非常适合第二型ICL 的材料。

第二型ICL概念提出后，理论预测它可以在室温下连续波动（CW） 模式激射，输出功率高，阈值电流密度低。许多研究机构对第二型进行了第二型ICL休斯敦大学真空外延中心、美国海军实验室、美国陆军实验室、加州技术研究所喷气推进力实验室等进行了大量研究。直到2012年，第一个商业化ICL德国激光器的成功nanoplus公司与维尔茨堡大学等研究机构合作，成功开发了3~6μm 波长范围的ICL在这个波长范围内，激光器有许多高灵敏度的气体吸收线，如CH 4，HCl，CH 2O，HBr，CO，CO 2，NO和H 2O等，它将为激光气体分析应用带来新的应用。

nanoplusICL2012年激光获得棱镜奖：

nanoplus ICL2012年国际光学工程学会获得带间级联激光（SPIE）和Photonice Media棱镜光子学创新奖共同评选（Pri Award），并于2012年1月底在旧金山举行颁奖典礼nanoplus推出创新产品ICL激光器，波长覆盖从3000nm到6000nm本波段可调二极管激光光谱学的研究与应用辟了整个波长范围。

ICL激光器的主要特点：

目前ICL近红外激光器的参数特性DFB激光参数非常相似，阈值电流低，常温工作温度高，输出功率高，散热量低。46如下图所示xx nm和52xx nm可以看到波长范围内设备的典型特征参数ICL激光器在20℃在工作温度下，输出功率的典型值为5mW在这种情况下，它与普通近红外有关DFB参数特性非常相似，电路功耗阈值仅为150mW，功耗很低。

另外，以5262.9nm ICL以激光为例：

ICL激光器与DFB激光器和QCL激光辐射原理比较：

1） DFB、ICL、QCL不同物质辐射不同波长范围的光。

不同的发射波长基于不同的物质辐射，如下图所示，蓝色代表VCSEL、DFB结构芯片材料，红色代表ICL结构芯片材料，绿色代表QCL芯片材料的结构。

2)从可见光到红外光辐射的基本复合方案。

3）DFB、ICL、QCL激光发射波长与阈值功率密度的关系。

图1． 激光发射波长与阈值功率密度的关系

阈值功率密度是衡量激光消耗能量的指标。阈值功率密度越高，相同的光输出功率输入的电流越高，能量消耗越高，产生的热量就越多。如上图所示，黑色代表DFB2~3激光器.5μm阈值功率密度越来越高，绿色和蓝色代表ICL3~7激光器μm阈值功率密度越来越高，红色代表QCL与激光器相比，阈值功率密度DFB、ICL都要高，尤其是4μm内部变得特别高。从上图可以看出，DFB3微米以内激光器阈值功率密度较低，ICL激光器在3～6μm阈值功率密度较低，QCL阈值功率密度高。

ICL激光器的创新应用：

TDLAS使用中红外ICL激光作为发射光源有许多优点。首先，选择大量痕迹气体的较强吸收线作为检测对象，有助于提高检测速度和检测下限，降低整个系统的噪声，通过降低光程使设备便携、小型化。

比如ICL机动车尾气遥测激光器：

全激光机动车尾气遥感监测系统通过水平固定或垂直固定实时监测机动车尾气排放CO，CO 2，HC（特别是C 3H 8），NO，NO 2，N 2O气体成分和不透光度，能有效自动识别尾气排放不合格的车辆和黑烟车，为解决机动车尾气污染带来有效手段，它还为空气污染控制提供了重要数据。

又比如ICL医疗呼气分析激光：

呼气分析是目前较流行的呼气分析方法，可以通过吹口气来检测疾病。医学呼气分析要求检测手段具有很高的灵敏度和很低的检测下限，ICL激光器的出现正好解决了常规手段灵敏度低的问题，如常规呼出气体CO 2，CO，NO中红外地区吸收线较强，可准确检测，如通过检测呼出 13CO 通过检测呼出气体，诊断是否携带幽门螺杆菌。NO诊断哮喘等。

ICL未来激光器的发展：

目前激光器已基本覆盖760nm到20μm波长范围可以检测大多数气体，特别是中红外高灵敏度气体，但激光成本仍然很高，限制了激光吸收光谱的广泛应用。未来，随着激光技术的不断突破和工艺技术的成熟，激光批量生产后成本将大幅下降，小型化、高集成、低成本的激光和气体传感器将成为必然趋势。

随着物联网的到来，基于激光吸收光谱技术的应用将得到广泛推广。除了工业和环境保护外，它还将进入消费领域，成千上万的家庭将成为家庭和个人消费品。激光吸收光谱技术应大大提高从分析仪器、仪器到传感器的规模。

例如，正在进行的欧洲项目MIRPHAB：红外光电子器件用于化学传感和光谱分析。

MIRPHAB该项目聚集了中红外激光器和探测器的主要制造商，并将建立一条新的试生产线，以满足欧洲在中红外设备领域日益增长的需求。欧盟希望为各种中红外设备提供端到端的生产能力，以满足广泛的红外传感应用。

硅和Ⅲ－Ⅴ在材料集成工艺模型中，试生产线将为传感器带来前所未有的技术，开启许多现有技术和设备无法带来的应用，满足下一代化学传感和光谱分析的需要，显著降低成本、功耗和尺寸。