快来打卡，QCL在科研领域的九大应用

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）自1994年被发明以来，已经历了28年的发展历程，因其极好的稳定性、单色性、窄线宽、高输出功率、波长覆盖范围宽等特点成为了中红外领域的潜力光源，广泛应用于科研、工业、环保、医疗、安防等领域。

本文将详细梳理QCL在科研领域的九大应用案例，并且在今后的文章中滨松也将重点与大家分享QCL在环保分析、工业等领域的具体应用案例，敬请期待。

背景介绍：痕量气体是指大气中浓度低于10E-6的粒子，如大气中的CO、N₂O、SO₂、O₃、NO、NO₂、CH₄、NH₃、H₂S等都属于痕量气体。激光光谱技术由于其具有高灵敏、高选择性、非入侵及可在线实时检测等优点被广泛应用于痕量气体检测。石英增强光声光谱技术（QEPAS）是痕量气体检测技术一个新的发展方向，具有动态范围大、灵敏度高、装置简单等特点。

案例分享：意大利巴里理工大学和滨松中央研究所等科研人员利用石英增强光声光谱QEPAS技术检测CO₂气体，结合高精度腔式传感器平台，实现300 ppt的最小检测限，与QEPAS技术目前市面上报道的最佳结果相当。实验原理如图1所示。

背景信息：激光器线宽是指激光发射光谱的半高全宽（FWHM），即达到峰值一半高度所对应的两个频率中间的宽度。线宽的数值越小意味着激光的单色性越好，即具有更小的相位或频率噪声，相干性越强，表现为极长的相干长度。

案例分享：意大利国家光学研究所INO-CNR和滨松中央研究所CRL等科研人员对室温工作峰值波长4.36 μm的滨松DFB QCL频率噪声功率谱密度（FNPSD）进行了测量，通过计算得到了260 Hz的本征理论线宽值（市面上大多数DFB QCL线宽值为MHz量级或更高），实验系统如图2所示。

▲图2 滨松DFBQCL频率噪声功率谱密度测量示意图

背景介绍：随着国防事业和航空航天技术的不断发展，发动机燃烧流场诊断、性能评估以及风洞流场测量受到越来越多的关注。传统的流场诊断设备存在干扰待测流场、响应时间长、灵敏度低、无法适应极端环境等缺点。基于红外激光光谱技术如TDLAS可以实现非侵入式、快速、实时在线测量，测量的物理量有温度、组分浓度（原子、H₂O、O₂、CO/CO₂、NOx）、流速、静压等。

案例分享：日本冈山大学研究人员采用4.3 μmQCL激光器耦合光纤实现发动机燃烧室CO₂浓度的原位测量，可以获得残余气体对发动机气缸内混合气形成过程影响的详细信息，并研究内部EGR比率对燃烧特性和燃烧过程中化学反应影响的关键特征。实验装置如图3所示

▲图3 实验装置示意图

背景介绍：美国波士顿大学的Ji-Xin Cheng教授率先提出荧光检测中红外光热显微镜（MIP）技术，又称为光学光热红外显微镜（O-PTIR）技术和红外光热外差成像（IR-PHI）技术，是一种远场超分辨红外光谱和成像技术，也是一种新型的化学成像技术。

案例分享：Ji-Xin Cheng教授课题组利用可见光感知脉冲红外QCL激光器（调谐范围1000~1886 cm^-1、重频100 KHz）引起的光热效应，记录单个痘病毒和VSV的红外光谱，将光谱和成像的空间分辨率提升至300~600 nm，填充了传统远场红外显微镜(空间分辨率为μm级)和近场红外光谱和成像技术(空间分辨率为20 nm)间的空缺，并使活细胞和生物体的红外光谱和成像成为可能。MIP技术还可以和拉曼光谱技术结合，弥补拉曼信号偏弱的不足，提高信噪比。详见图4。

   ▲图4 MIP技术原理示意图

背景介绍：扫描探针显微镜与红外激光结合提供了在中红外波段突破衍射极限的方法，即红外散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），可以克服有孔式SNOM的所有制约，如光纤、小孔、定制探针结构及其他缺点。

案例分享：英国伦敦皇家学院的科研人员利用s-SNOM技术结合QCL激光器阵列，通过AFM探针对激光光束聚焦照明，在针尖附近激发一个纳米尺度的增强近场信号区域。当针尖接近样品表面时，由于不同物质的介电性质差异，近场光学信息将被改变，通过背景压制技术对采集的散射信号进行解析，就能获取到样品表面的近场光学谱图并进行成像，其空间分辨率比正常衍射极限高出1000倍。

   ▲图5 s-SNOM原理示意图

实验介绍：法拉第磁旋转光谱技术具有灵敏度高、零背景和不受水汽、二氧化碳等非顺磁性分子干扰等优点，因此非常适合高灵敏度、高选择性探测顺磁性分子。

案例分享：普林斯顿大学和北京交通大学的科研人员利用DFB和EC两种类型的QCL激光器基于时间分辨TDLAS技术、气相色谱取样技术以及DM-FRS技术对烷烃类物质的低温热解和氧化动力学过程进行了实验和数值模拟，结果吻合良好。实验装置如图6所示。

▲图6 实验系统原理示意图

背景介绍：传统光谱仪由于光源、测量方式等限制需要几秒钟或者更长的测量时间来获取一个完整的光谱，然而生物医学、化学动力学等许多过程都是发生在微秒级时间内，传统光谱仪是无法观察到的。市面最新推出的快速双光梳红外光谱仪基于QCL激光器频率梳研制而成，可同时满足高速测量（时间分辨率<1 µs）、高光谱分辨率（3*10^-4cm-1）和宽光谱范围的要求，能够用于高温、高压、快速反应条件下的红外光谱研究。

案例分享：近期斯坦福大学利用双光梳中红外光谱仪为我们演示了高能气相反应中的μs分辨单次测量的应用，研究一种剧烈的丙炔氧化化学反应。实验所采用的QCL的双梳状光谱仪（DCS）是由两个独立运行的，非固定频率的频率梳组成，其发射波长范围分布为1174 cm-1~1233 cm-1, 可实现4 μs的时间分辨率（理论时间分辨率2 μs）。同时研究人员使用另一套独立的带间级联激光（ICL）光谱仪对DCS测量的精度做了对比验证，确认了DCS测量的准确性。实验系统如图7所示

   ▲图7 双光梳中红外光谱仪用于高能气相反应

案例分享：日本东京大学科研人员利用滨松的QCL激光器（工作波长1065cm-1）检测过氧羟基自由基的绝对吸收截面，光谱特性参数和量子化学计算的分析结果一致。

   ▲图8 QCL用于过氧羟基自由基检测

背景介绍：核电站与外界环境的主要接口是排出流，包括气态排出流和液态排出流，其中最重要也是最容易监测的是气态放射性排出流。一旦核电站发生泄漏事件，放射性物质会通过通风系统经烟囱排向外部环境，从而造成放射性泄漏，对核电站周边的居民产生危害并污染环境。因此对于核电站气态排出流进行放射性监测是十分重要的。

案例分享：气态放射性碳是核电站放射性气体排放的主要来源之一，目前还没有合适的方法对气态放射性碳进行灵敏的自动化在线监测。芬兰国家技术研究中心（VTT）科研人员搭建了一套基于中红外腔衰荡光谱（CRDS）技术的机载放射性碳检测系统，采用滨松的4.53 μm DFB QCL激光器（L12004-2209H-C），并在洛维萨核电站进行为期一周的现场测量，时间分辨率达到45 min，较传统技术的时间分辨率（几天）提升了数个量级。

   ▲图9 核电站¹⁴C监测系统示意图

除了上述常规应用案例之外，滨松QCL在以下应用中也可以大展身手。

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