滨松开发波长可调谐中红外量子级联激光模块

2018/10/26

滨松最新研发产品——波长可调量子级联激光器L14890-09，在量子级联激光器（以下称QCL：Quantum Cascade Laser）的基础上结合了MEMS衍射光栅（搭载在该产品上的MEMS衍射光栅的开发是在文部科学省纳米技术平台项目《东北大学精细加工平台》的支持下进行的），可在中红外波段的8到10微米快速地改变波长，可实现与傅里叶变换红外分光光度计（FT-IR）同等的分析效果；将该产品组装到便携式尺寸分析仪中，可实现现场即时完成分析，可用于测量农产品的糖含量、血液里的血糖量、以及塑料和薄膜分析、检查建筑物中橡胶老化等。该产品将于12月3日（星期一）开始面向各分析设备制造商销售。

本产品将于11月1日（星期四）在ACTCITY滨松（滨松市中区）举行的5年1届的滨松光子综合展“2018年光子展”上首次亮相并连续展出3天。此外，我们还获得了一般社会法人日本光学学会光学设计研究小组颁发的光学设计奖项——“光学设计卓越奖”，该奖于10月30日（星期二）在筑波大学东京校区（东京文京区）举办的为期四天的日本顶级光学、光学技术学术讲座“Optics & Photonics Japan 2018”上进行授奖仪式。

※量子级联激光器（QCL）:因其发光层采用了特殊的量子结构、与以往的半导体激光不同、它可以在从中红外到远红外的特定波长区域实现高功率输出。

＜产品概要＞

结合滨松独特的量子结构设计技术，采用耦合双重上能级结构（AnticrossDAU TM），成功研发可输出宽谱中红外激光QCL。该小型QCL模块、由新开发的QCL和在MEMS镜上制造的MEMS衍射光栅以及外部谐振腔组成，可扫描给出8到10μm范围内的中红外激光。

在QCL的MEMS衍射光栅的截面上制成防反射多层膜、由该截面输出宽谱中红外激光、通过MEMS衍射光栅的倾斜来实现特定波长的反射和共振。此时，电控MEMS衍射光栅可高速改变其倾角，周期性地改变反射、共振光的波长，实现QCL模块输出中红外激光的波长扫描。从一个光源输出多波长的中红外激光，除了可以识别不同吸收波长的样品的成分外，同时可以实现量的测定。虽然市场上有销售利用电机等使镜面机械式的运动来改变波长的QCL模块，但本产品是电控MEMS衍射光栅、因此波长变化很快，且与以往产品相比体积更小。

利用外部谐振器的波长扫描结构从采用双上层组合结构的QCL发出的激光在MEMS衍射光栅进行反射、激光在激光发射端使能量倍增、输出中红外激光。通过电控制MEMS衍射光栅并高速改变倾斜度、高速扫描输出中红外激光的波长。
在此之前，对中红外的分析通常是大型、昂贵、高性能的固定型分析仪FT-IR。将本产品组装到便携的分析仪器，可实现在工作现场及时完成分析，分析效果等同FT-IR分析。可预期它各种分析、检查中的应用，如在水果筛选市场中蔬菜、水果的葡萄糖分析、测定含糖量、分析和检查塑料、薄膜、橡胶的成分等。在东北大学松浦祐司教授进行的一项研究中，使用该产品测定的血糖值和通过血液采样测量的血糖值，得到了相同的结果。我们也非常期待将来它在无创小型血糖仪中的表现。今后，我们将继续开发能够输出不同波长的中红外激光、来满足市场的需求。

※MEMS震镜：运用MEMS（微机电系统，Micro Electro Mechanical Systems）技术，通过电流进行工作的小型震镜
※衍射光栅：通过利用每种波长不同的光的折射角，以区分不同波长光的光学元件
※外部谐振器：在半导体激光器的外部放置衍射光栅构成激光谐振器的器件

＜研发背景＞

红外光具有其分子特有的振动能级能被特定波长吸收的特性。用该特性可以区分不同的分子，故而也被称为“分子指纹区域”，被应用于环境分析和医学领域等多个领域。我们一直在生产和销售面向吸收特定中红外光谱成分的汽车尾气分析和大气环境分析仪器，但对于塑料、薄膜、橡胶、水果、蔬菜中所包含的成分分析主要采用的是FT-IR。在这种情况下，在工作现场进行即时分析、具备FT-IR同等分析效果的便携式分析仪器的光源的需求与日俱增。

＜产品特点＞

1. 小型、高频的波长调谐QCL模块

使用MEMS衍射光栅实现外部尺寸为82 mm×112 mm×88 mm（W×D×H）的小型凑波长调谐QCL模块。此外，通过电控制的MEMS衍射光栅，从QCL模块输出的中红外激光的波长可实现高达1.8kHz的高速扫描。本产品具备小型且高速波长调谐的特点，非常期待它在便携式的分析仪器上的应用，如在水果筛选市场、植物等种植现场即时分析。

2. 搭载输出8~10μm中红外激光双上层组合结构的QCL

利用滨松独特的量子结构设计技术，采用双上层组合结构，搭载输出8~10μm中红外激光的新型QCL，可应用于包含各种成分的塑料、薄膜、橡胶、水果、蔬菜的分析。

3. 形成低反射涂层、实现稳定的波长扫描

通过滨松独有的光学薄膜设计技术，在QCL的MEMS衍射光栅侧的端面上形成用于防止光学反射的多层涂层。从涂层表面发出的激光，在到达MEMS衍射光栅之前0损耗，使之进行完全的反射和谐振；通过周期性地改变波长，实现稳定的中红外激光的波长扫描。

●主要规格

项目	L14890-09	单位
中心波长	9.3 (Typ.)	μm
波长扫描区域	8.5～10.3 (Typ.)	μm
扫描频率	1.8 (Typ.)	kHz
峰值光功率	200 (Min)	mW
外形尺寸	82×112×88	mm

波长扫描脉冲量子级联激光器 L14890-09

滨松开发波长可调谐中红外量子级联激光模块

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