江苏激光联盟导读：

日本滨松光子（Hamamatsu Photonics）公司和国家先进工业科学和技术研究所(AIST)合作开发了一个全光学便携式气体监测系统，用于预测高灵敏度的火山爆发。除了对火山口附近的火山气体进行稳定、长期的监测外，便携式分析仪还可用于检测化工厂和下水道中的有毒气体泄漏以及大气测量。我们一起来看看激光的这一独特应用。

这款量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,简称QCL)可以安装在非常紧凑的设备之中，专为便携式火山气体监测系统而设计。该全光学便携式气体监测系统包含Hamamatsu开发的一个小型波长扫描量子级联激光器(QCL)。这种激光器的尺寸仅为以前QCL的1/150，是世界上波长扫描最小的激光器。由AIST公司开发的气体监测的驱动系统，将允许微小的QCL被安装到轻便的便携式分析仪中，可以携带到任何地方。

利用滨松现有的微机电系统技术（micro-electro-mechanical system, MEMS),开发人员重新设计了QCL的微机电衍射光栅，将其尺寸缩小到传统光栅的十分之一。该团队还使用了一个小磁铁，以减少不必要的空间，并精确组装其他部件，精度低至0.1 μm。QCL的外部尺寸为13 × 30 × 13毫米(宽×深×高)。

▲滨松中国宣传页

波长扫描QCLs使用一个微机电系统衍射光栅，该光栅分散、反射和发射中红外光，同时快速移动波长。滨松QCL在7到8 μm的波长范围内可调。而这个范围很容易被二氧化硫和硫化氢气体（火山喷发预测通常依赖于火山这两种气体的浓度监测，这些气体的含量在火山喷发前几个月往往会出现上升）吸收，这被认为是可能火山爆发的早期预测。

为了实现波长可调，研究人员使用了基于量子效应的器件设计技术。对于QCL元件的发光层，他们使用了其独创的反交叉双重高能态（anti-crossed dual-upper-state design）设计。

当波长扫描QCL与AIST开发的驱动系统相结合时，它可以实现波长扫描速度，在20毫秒内获得连续的中红外光谱。QCL对光谱的高速采集将有助于分析随时间快速变化的瞬态现象。QCL的光谱分辨率约为15纳米，其最大峰值输出约为150毫瓦。

目前，大多数用于实时检测和测量火山气体的分析仪都有电化学传感器。由于持续暴露在有毒气体中，这些传感器中的电极以及分析仪的性能会迅速恶化。而全光学气体分析仪使用的是长寿命光源，并且所需维护较少，但是光学光源会占用大量空间，尺寸较大，使得这些分析仪很难安装在火山口附近。

配备微小波长扫描QCL的下一代火山气体监测系统将为火山学家提供一个全光学、紧凑、便携的装置，具有高灵敏度，且便于维护，可以长期稳定使用。滨松的研究人员和他们在AIST的同事以及支持该项目的新能源和工业技术发展组织(NEDO)将继续研究提高分析仪灵敏度和减少维护的方法。该团队正计划进行多点观测来测试和演示便携式分析仪的具体效用。使用波长扫描QCL和驱动电路以及滨松光电探测器的产品计划将于2022年发布。