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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(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品，尤其是在3～6μm波長領(lǐng)域填補(bǔ)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(gè)波長范圍內(nèi)，大部分氣體都有其最強(qiáng)的吸收線，吸收強(qiáng)度比其它紅外區(qū)域高出幾個(gè)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(jī)構(gòu)對第二型ICL進(jìn)行了大量的研究，其中包括休斯敦大學(xué)真空外延中心、美國海軍實(shí)驗(yàn)室、美國陸軍實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)力實(shí)驗(yàn)室等。直到2012年，第一個(gè)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(xué)等研究機(jī)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(gè)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(huì)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(jiǎng)：
nanoplus ICL帶間級聯(lián)激光器在2012年獲得由國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）和Photonice Media共同評選出來的棱鏡光子學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)（Prism Award），并于2012年1月底在舊金山舉行頒獎(jiǎng)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(gè)波長范圍，開辟了此波段的可調(diào)諧二極管激光光譜學(xué)的研究和應(yīng)用。
ICL激光器的主要特點(diǎn)：
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(lán)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(biāo)，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(lán)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(qiáng)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(gè)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(jī)動(dòng)車尾氣遙測：
通過水平固定式或者垂直固定式的全激光機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)動(dòng)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(dòng)識(shí)別尾氣排放不達(dá)標(biāo)的車輛和黑煙車，為解決機(jī)動(dòng)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(dāng)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(qiáng)的吸收線，可以準(zhǔn)確地進(jìn)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(shí)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(huì)大范圍推廣，除了工業(yè)、環(huán)保，也會(huì)進(jìn)入到消費(fèi)領(lǐng)域，進(jìn)入千家萬戶成為家庭和個(gè)人消費(fèi)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(jìn)行的一個(gè)歐洲項(xiàng)目MIRPHAB：化學(xué)傳感和光譜分析用紅外光電子器件制造。
MIRPHAB項(xiàng)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?yàn)楦鞣N中紅外器件提供從設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(xué)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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