秦莉、王彪、周寅利、宋悦等研究人员和多位博士硕士研究生5年的科技攻关，于2022年完成了国家重大科研仪器研制项目 “采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制”。该项目以可调谐垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）为光源，以激光吸收光谱检测为技术依据，采用透射式TDLAS检测技术方法，实现对多种目标气体的检测。
项目通过攻克VCSEL型TDLAS激光气体检测技术系列难题，实现了对多种目标气体含量的精准监测，在大气环境质量监测、工业生产的气体浓度监测、燃爆安全的检测预警等方面具有重要的科学意义和社会意义。在环境监测领域，随着城市化进程的不断加快、机动车保有量的持续增加、能源消耗量的快速增长，CO2等温室气体被大量排放，监测环境的实时变化变得尤为重要；在化工生产领域，随着石油、煤炭、冶金等工业的迅猛发展，诸如H2S、NH3等有毒有害气体的迅速增加，造成的气体中毒事故也在不断增多，对人民财产安全和生存环境构成很大威胁；在燃爆安全领域，CO、CH4等可燃气体作为新兴能源，近年来在生产和生活中都得到了广泛的使用，但由于其具有易燃、易爆的特点，一旦在空气中的浓度超过可燃气体的爆炸极限，遇到明火源就会发生燃烧爆炸事故，严重威胁着公众的财产和生命安全。
项目的主要应用目标是对以上各个方面的检测背景选取5种具有代表性的气体进行检测。对应于CO2、CO、CH4、H2S、NH3这5种气体分别研制出一种VCSEL型的TDLAS激光气体检测模块，以此来实现对于环境监测、化工生产和燃爆安全这3个应用领域的气体检测，所研制的激光气体检测模块如下图所示。
项目通过对近红外（1.5μm~1.6μm）波长的垂直腔面发射激光器进行理论建模并设计相关激光器制备工艺，攻克了用于气体检测的VCSEL激光器的制备及工艺技术，并以此为基础研制出不同波长的近红外VCSEL激光器。通过使用相应波长的近红外VCSEL激光器作为核心光源研制了5种小体积TDLAS型气体检测模块，可以分别用来检测CO2、CO、CH4、H2S、NH3气体。在检测模块的电路与系统构成方面，实现了高精度弱电流激光器驱动技术、高精度数字化温控技术、数字化激光器波长调制技术、数字化锁相放大技术以及温度压强气体浓度反演算法等关键技术的突破。从器件到系统拥有完整的自主知识产权，共计发表高水平学术论文44篇，申报国家发明专利16项，其中已授权专利11项，培养博士研究生5人，硕士研究生16人。
研制的TDLAS气体检测系列模块采用金属外壳，体积小巧，具有两个气体阀门和一个电路接口。模块通过电路接口进行供电和有线数据传输，此外模块具备无线通讯功能。使用时打开气阀，将待测气体通入仪器内，即可通过显示屏读取气体的浓度信息。模块单次检测时间低至0.5s，检测灵敏度可达到100ppm。由于检测原理的独特性，所研制的气体检测模块相比于其它原理的气体检测模块，具有体积小、检测灵敏度高、无耗材、可长时间工作免维护等特性，这些特性使得该模块能够广泛的应用于不同的领域和场合。
随着该项目的攻克，推动了我国在VCSEL核心激光器件领域的技术进步；在此基础上，通过对透射式TDLAS型气体检测技术的研究应用，产出了一系列的可应用于环境监测、化工生产、燃爆安全等多元化的气体检测仪器，对于我国大型科学仪器研究推广具有重大的推进作用和实际应用价值。VCSEL激光气体检测模组具有轻量化、便携式等优点，其可以方便地搭载到无人机、机动车等中小型移动设备上或者嵌入到工作人员的手持设备当中；同时结合智能手机和互联网技术可以将检测的数据进行远程移动式获取和传输；由此可见，VCSEL型TDLAS气体检测模块具有广阔的应用场景。以该项目研究成果所取得的自主知识产权为基础，通过市场化成果转化，其所产出的市场化产品填补了我国在此领域的空白，在科学研究和生产生活领域都具有重要的应用价值，拥有广阔的国内及国际市场空间，可以为我国带来巨大的经济效益和社会效益，进一步推动我国在激光气体检测领域的科技进步和全面的技术提升。
