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激光器，是继近红外DFB激光器，中红外QCL激光器之后的一个重要创新产品，尤其是在3～6μm波长领域填补了DFB激光器和QCL存在的不足。

目前，nanoplus是唯一一家能提供3000nm－6000nm之间任意中心波长的带间级联ICL激光器的厂家。在这个波长范围内，大部分气体都有其最强的吸收线，吸收强度比其它红外区域高出几个数量级，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激光器的发展历程：

1994 年美国加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室的Rui．Q．Yang首先提出了第二型带间级联激光器（ICL）的概念。破隙型的InAs／AlSb／GaSb 超晶格具有较大的导带不连续，能提供非常好的自由载流子限制，而且GaSb、InAs及AlSb 的晶格常数非常接近，有利于生长高质量材料，因此它很适合做第二型ICL 的材料。

第二型ICL的概念提出以后，理论预测它能够在室温下以连续波（CW）模式激射，且具有高的输出功率和低的阈值电流密度。许多研究机构对第二型ICL进行了大量的研究，其中包括休斯敦大学真空外延中心、美国海军实验室、美国陆军实验室和加利福尼亚技术研究所喷气推进力实验室等。直到2012年，第一个商业化ICL激光器获得成功，由德国nanoplus公司联合维尔茨堡大学等研究机构成功研制，已经成功推出了3～6μm 波长范围的ICL激光器，在这个波长范围内，具有非常多高灵敏度的气体吸收线，比如CH 4，HCl，CH 2O，HBr，CO，CO 2，NO和H 2O等，将会给激光气体分析应用带来全新的应用。

nanoplusICL激光器获得2012年棱镜奖：

nanoplus ICL带间级联激光器在2012年获得由国际光学工程学会（SPIE）和Photonice Media共同评选出来的棱镜光子学创新奖（Prism Award），并于2012年1月底在旧金山举行颁奖典礼，以表彰nanoplus推出了创新性产品ICL激光器，波长覆盖从3000nm到6000nm整个波长范围，开辟了此波段的可调谐二极管激光光谱学的研究和应用。

ICL激光器的主要特点：

目前ICL激光器的参数特性已经与近红外DFB激光器参数非常相似，具有较低的阈值电流、常温工作温度、较高的输出功率，和比较低的散热。如下图所示是46xx nm和52xx nm波长范围内器件的典型特性参数，可见ICL激光器在20℃的工作温度下，在输出功率典型值为5mW的情况下，具有与普通近红外DFB非常相似的参数特性，而且电路功耗阈值只有150mW，具有非常低的功耗。

另外，以5262.9nm ICL激光器作为例子：

ICL激光器与DFB激光器和QCL激光器辐射原理比较：

1） DFB、ICL、QCL由不同的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，如图下图所示，蓝色代表用于VCSEL、DFB结构的芯片材料，红色代表用于ICL结构的芯片材料，绿色代表用于QCL结构的芯片材料。

2）从可见光到红外光辐射的基本复合方案。

3）DFB、ICL、QCL激光器发射波长与阈值功率密度的关系。

图1．激光器发射波长与阈值功率密度的关系

阈值功率密度是衡量激发激光需要消耗能量大小的指标，阈值功率密度越高，意味着同样的光输出功率需要输入越高的电流，消耗越高的能量，并产生越多的热量。如上图所示，黑色代表DFB激光器，在2～3.5μm阈值功率密度越来越高，绿色和蓝色代表ICL激光器，在3～7μm阈值功率密度越来越高，红色代表QCL激光器，阈值功率密度相比DFB、ICL都要高，尤其是在4μm以内变得特别高。从上图可以看出，DFB激光器在3微米以内具有较低的阈值功率密度，ICL激光器在3～6μm具有较低的阈值功率密度，QCL均具有较高的阈值功率密度。

ICL激光器的创新应用：

TDLAS使用中红外ICL激光器作为发射光源有非常多的优势，首先是选择了大量痕量气体的最强吸收线作为检测对象，有助于提高检测速度和检测下限，能降低整个系统的噪声，以及通过减小光程使得设备便携和小型化。

比如ICL激光器用于机动车尾气遥测：

通过水平固定式或者垂直固定式的全激光机动车尾气遥感监测系统，实时监测机动车行驶中尾气排放的CO，CO 2，HC（特别是C 3H 8），NO，NO 2，N 2O等气体的成分，以及不透光度，能有效自动识别尾气排放不达标的车辆和黑烟车，为解决机动车尾气污染带来了有效的手段，也为大气污染治理提供了重要的数据。

又比如ICL激光器用于医疗呼气分析：

吹口气就能检测出患有什么疾病，是当下最流行的呼气分析手段。医疗呼气分析要求检测手段具有非常高灵敏度和非常低的检测下限，ICL激光器的出现正好解决了常规手段灵敏度不高的问题，常规呼出气体比如CO 2，CO，NO在中红外区域具有最强的吸收线，可以准确地进行检测，比如通过检测呼出 13CO 2含量诊断是否携带幽门螺杆菌，通过检测呼出气体NO诊断是否哮喘等。

ICL激光器的未来发展：

目前，激光器已经基本上覆盖从760nm到20μm的波长范围，可以实现大部分气体的检测，尤其是中红外高灵敏的气体检测，但激光器成本仍然偏高，制约了激光吸收光谱的广泛应用。未来随着激光器技术的不断突破，工艺技术的成熟，激光器大批量生产以后，成本将得到大幅度下降，小型化、高度集成、低成本的激光器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会大范围推广，除了工业、环保，也会进入到消费领域，进入千家万户成为家庭和个人消费品。激光吸收光谱技术将从分析仪器、仪表，走向传感器领域，应该规模大大提高。

比如正在进行的一个欧洲项目MIRPHAB：化学传感和光谱分析用红外光电子器件制造。