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一眼萬年,濱松技術工程師鈴木健吾和量子效率儀器的20年“情緣”

2025-06-30

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導讀:PLQY測試產品的開發過程并非一路坦途,裝置可靠性證明從項目啟動到論文發表耗時4年,歷經成百上千次實驗,這是工程師對科學精神的敬畏踐行。

在濱松光子學株式會社(以下簡稱“濱松”)日本總部研發中心的實驗室里,一位每天自帶簡餐、午餐后迅速投入工作的工程師,用超過25年的職業生涯,深耕于熒光量子效率測量領域。他是鈴木健吾,濱松系統事業部設計部第8部門技術工程師,是全球頂尖的絕對量子效率測量儀(Quantaurus-QY 系列)研發核心人物,也是將發光量子效率(PLQY)推向新高度的關鍵推手。近日,儀器信息網有幸采訪了鈴木先生,訪談從光化學博士到行業技術革新者,從日本總部到中國市場,他的故事串聯起一款科學儀器從實驗室走向產業前沿的完整脈絡,更詮釋了濱松以客戶需求為原點產品進化邏輯。

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技術原點:從實驗室到產業化的初代突破
2000年4月,當鈴木健吾帶著群馬大學光化學博士學位踏入濱松總部時,他未曾預見,自己即將投身一項改變行業測量標準的技術攻堅。
“學生時代,我使用的光電倍增管便是濱松的產品?!?鈴木先生回憶往昔。彼時,濱松已憑借光電探測器聲名遠揚,而鈴木先生的家鄉——誕生了日本第一臺全電子式電視機的濱松市,正悄然醞釀著一場新的技術革命。初入公司的他,毅然選擇挑戰完全陌生的光學設計領域,“那段時光充滿艱辛,卻為后續的產品開發筑牢根基”。
此后,鈴木健吾主導開發初代絕對量子效率測試系統C9920-02,就此開啟“絕對法” 應用的篇章。時至今日,他仍專注于絕對量子效率測試儀Quantaurus-QY系列、小型熒光壽命測量裝置Quantaurus-Tau等產品的研發工作。
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產學共振:學術需求催生商業化測量系統
產學跨界合作催生初代測量系統
2004 年,有機EL作為下一代發光器件的熱度飆升,其產業化階段即將開啟。有機EL器件的產品化面臨諸多課題,其中開發用于有機EL材料的發光材料是重要課題之一,特別是提高發光材料的發光量子效率。而有機EL領域使用的是薄膜狀發光材料,但薄膜狀發光材料的 PLQY 測量仍是空白。傳統相對法僅適用于溶液,而絕對法因裝置復雜難以普及。彼時,安達千波矢教授正投身于有機EL材料及器件的研究,在發光材料評估方面,除了使用條紋相機進行發光壽命測量外,還構建了將多通道光譜儀C10027與積分球相結合的測量系統,用于測量固體材料的發光量子效率。鈴木健吾在拜訪安達教授時,安達教授向濱松提出了共同開發發光量子效率測量裝置的邀請——這便是C9920-02原型機開發的由來。
用學術屆的方式:通過論文發表為C9920-02絕對法系統正名
在材料科學領域,固體材料的測量與溶液測量截然不同,傳統相對法已難以滿足其精準測量的需求。早期的絕對法雖有嘗試,但因誤差較大、系統不穩定等問題,逐漸被學術界所摒棄。然而,突破總是伴隨著不懈的追求。鈴木先生經過兩年的理論鉆研、模型構建、配件選型與反復調試,提出了一套全新的絕對法測量系統。該系統C9920-02集成了多通道光譜儀、積分球和激發光源,憑借其更高的穩定性和精準度,為固體材料發光量子效率的測量帶來了全新的解決方案。
C9920-02的誕生并非一帆風順。在初期,當這套系統用于測量有機EL發光材料時,竟得到了高達90%的量子效率值,這一結果幾乎是文獻資料的兩倍。如此高的數值讓鈴木先生也對自己的成果產生了懷疑。為了驗證這一結果,鈴木先生與九州大學安達教授團隊、群馬大學飛田成史團隊等展開了反復的實驗驗證。經過嚴謹的測試與分析,最終確認了這一結果的真實性和可靠性。2008年,相關研究成果發表在《Chemical Physics Letters》上,引發了學術界的廣泛關注與討論。然而,憑借過硬的論證過程和實驗數據,以及越來越多客戶的使用反饋,質疑聲逐漸消散。

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Chemical Physics Letters, Volume 460, Pages 155 - 157》成果發表截圖

此外,鈴木健吾團隊還與產業技術綜合研究所的加藤隆二團隊、筑波大學的德丸克己團隊共同測量了有機物的晶體發光量子效率,并在學術論文《The Journal of Physical Chemistry C》上進行了報道。

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The Journal of Physical Chemistry C, Volume 113, Pages 2961-2965》成果發表截圖

然而,質疑并未完全平息。即使《Chemical Physics Letters》的論文展示了C9920-02在特定有機材料上的驚人結果,一個更根本性的問題依然懸而未決:這套基于積分球絕對法的新系統,其普適性和基礎可靠性究竟如何? 面對業界對“絕對法測量本身”的持續拷問,鈴木健吾深知,僅靠單一材料的成功案例和外部驗證不足以徹底消除疑慮,必須從測量原理的底層邏輯和系統溯源性上提供無可辯駁的證據。

為此,他再次將目光投向嚴謹的學術論證。2009年,團隊在《Physical Chemistry Chemical Physics》期刊上發表了具有里程碑意義的研究。這篇論文的核心目標直指質疑的核心——絕對法的可靠性證明。文章不僅闡述了由高精度多通道光譜儀、積分球及激發光源構成的C9920-02系統如何實現絕對法測量(這本身是對前文所述技術實現的深化和標準化),更關鍵的是,基準物質驗證: 系統性地引入并評估了一系列經過嚴格認證的光學標準物質(如標準熒光體)。 通過使用這些具有已知、穩定量子效率值的基準物質,對C9920-02系統進行了全方位的“校準”和“能力驗證”。 實驗數據清晰地證明,該系統不僅能復現基準物質的已知效率值,而且在不同基準物質、不同效率水平上均表現出卓越的準確性、重復性和穩定性。

這篇論文以其嚴謹的設計、詳實的數據和對測量溯源的深刻闡述,產生了巨大的學術影響力(引用超1000次)。 它帶來的深遠影響遠超預期,其結論和方法直接推動了國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)啟動全球發光量子效率測量標準化指南的制定工作,為整個領域建立了統一的測量規范。

憑借扎實的溯源驗證和普適性證明,C9920-02所代表的積分球絕對法,終于徹底掃清了早年的質疑陰霾, 從一項顛覆性的技術突破,演進成為全球發光材料研究領域無可爭議的金標準。 如今,這一方法已被全球超過3000家頂尖實驗室所采納和應用,深刻重塑了發光材料量子效率測量的格局。

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Physical Chemistry Chemical Physics, Volume 11, Pages 9850 - 9860, 2009》成果發表截圖

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開拓市場:中國市場本地化服務體系建立

基于C9920-02系統,鈴木健吾團隊進一步實現了技術的產品化落地,推出了高度集成化的緊湊型設備——Quantaurus-QY。 該產品通過將核心組件(高靈敏度多通道光譜儀、積分球、精密激發光源及控制系統)高度集成于單一機箱內,顯著提升了設備的操作便捷性與系統穩定性,降低了使用門檻。Quantaurus-QY的推出,加速了濱松的產品在發光材料領域的應用。此時,正值中國發光材料研究的起步,濱松Quantaurus系列產品也于2010年正式進入中國市場。

然而,當Quantaurus-QY進入中國市場初期,其推廣面臨顯著挑戰。 中國客戶對于這一基于全新絕對法原理的設備認知有限,充分理解其相較于傳統方法的技術優勢(如無需參比物、測量精度高、固液兼容性好) 并建立信任并非易事。

秉承著濱松集團提出的“In China,for China”的思想,鈴木健吾團隊采取了關鍵的本地化策略:協助濱松中國的技術團隊,構建了完善的技術支持與服務體系。 建立覆蓋多類典型發光材料(如OLED、鈣鈦礦、量子點、稀土熒光粉) 的本土化應用方案庫。這為中國科研人員與產業工程師提供了即用型的測試范例與最佳實踐指南,極大縮短了學習曲線,提升了設備利用率。

與此同時,鈴木先生幫助濱松中國一起建立了高效的本地化服務體系,徹底解決了進口精密儀器普遍面臨的“售后響應慢、維護成本高、技術支持難”等痛點,為中國客戶提供了極致的售后便利性,保障了設備的高效穩定運行,顯著降低了用戶的總擁有成本(TCO)。

在鈴木先生的幫助下,濱松Quantaurus-QY及其配套的深度本土化服務體系的成功構建,不僅推動了該設備在中國科研機構與產業界的廣泛應用,更實質性地加速了中國發光材料領域的研究進展與產業化進程。 通過提供國際領先且易于使用的絕對法量子效率測量工具,并輔以無后顧之憂的本土化服務保障,濱松為中國科學家和工程師在新型發光材料開發、性能優化及機理研究中提供了堅實可靠的基礎設施支撐,有力助推了中國在該領域的創新活力與國際競爭力提升。

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需求驅動:中國市場需求觸發技術再延伸

發光材料體系復雜多樣,涵蓋有機、無機及雜化材料等類別,其發光特性亦存在顯著差異。其中,上轉換發光材料Upconversion Materials)憑借其獨特的多光子吸收機制,能夠實現低能量光子(如近紅外光)向高能量光子(如可見光)的轉換,即反斯托克斯位移效應。這一特性使其在生物醫學深層成像、增強型太陽能電池光子捕獲及量子信息處理等前沿領域展現出不可替代的應用潛力。

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為了更好的講解產品技術,Quantaurus-QY PLUS被搬到采訪室的現場,鈴木先生與現場的Quantaurus-QY PLUS合影

彼時,全球學術界與產業界對上轉換材料的研究熱度空前高漲,而中國在該領域的研發需求尤為迫切。然而,上轉換材料的發光量子效率測量長期面臨嚴峻挑戰:其激發過程需使用高功率近紅外激光器,且需在近紅外激發波長和可見光發射波段同時實現高靈敏度探測。當時市售的量子效率測量系統(包括濱松自身的標準型號)均無法滿足這一特定的激光激發耦合與寬譜段(特別是近紅外區)高精度探測需求。

這一瓶頸在中國研究群體中反響尤為強烈。濱松中國團隊一起在深入走訪多個頂尖實驗室后,頻繁接收到研究人員對于“無法測量上轉換材料QY”的明確痛點反饋?;谶@些來自中國本土客戶的、清晰且迫切的需求,濱松中國銷售與技術團隊正式向日本總部系統事業部提出了開發專用解決方案——Quantaurus-QY PLUS的構想與詳細規格要求。

面對這一極具挑戰性的任務,鈴木健吾團隊深知其核心驅動源于中國客戶的實際困境。“我們深刻理解中國研究人員對上轉換材料PLQY數據的渴望,以及現有設備缺失給他們帶來的阻礙?!?鈴木先生回憶道,“將中國客戶的核心需求轉化為技術突破點,成為了我們研發的最高優先級。 盡管過程中遭遇了諸多技術困境——從高功率激光引入的光路干擾到微弱近紅外信號的有效提取——每一次看似接近成功的嘗試后出現的障礙,都令我們倍感壓力。但正是來自中國市場的明確需求和期待,成為支撐我們持續攻堅的關鍵動力?!?/span>

最終,鈴木團隊成功地將“中國需求”轉化為技術突破: Quantaurus-QY PLUS通過創新的光路設計(有效管理高功率激光并優化信號收集路徑)以及首創的雙通道探測器融合算法(協同處理可見光與近紅外信號,確保寬譜段、尤其是近紅外激發下的高精度與穩定性),精準攻克了上轉換材料PLQY測量的世界性難題。 這款為中國市場“量身定制”的解決方案,不僅填補了行業空白,更直接賦能了中國上轉換材料研究的加速發展。

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持續進化:20年磨一劍,需求牽引下的執著

圍繞發光量子效率測量產品,Quantaurus系列產品的時間軸展現了一款儀器產品的生命周期。2000年,鈴木健吾加入濱松;2004年,與安達千波矢教授共同開發由多通道光譜儀、積分球和激發光源組成C9920 – 02;2011年,鈴木健吾團隊將多通道光譜儀、積分球和激發光源集成于一體,開發出Quantaurus-QY一體式裝置;2016年,開發出了新增功能的擴展型裝置Quantaurus-QY Plus2022年系統事業部又開發出高動態范圍光譜儀OPAL-Luxe……“科研儀器的生命周期沒有終點,只有需求牽引的持續進化?!贝丝蹋?/span>鈴木健吾團隊研發的MicroLED檢測裝置MINI-PL已進入測試階段,可將MicroLED晶圓檢測效率提升20倍。

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“QY產品的開發過程并非一路坦途,裝置可靠性的證明就是其中一個最大課題”。鈴木先生回憶道。如前文所述,C9920–02問世之初,為證明其可靠性,鈴木健吾團隊過論文發表的形式為絕對法系統定量法正名——這些論文數據背后,凝聚著團隊的不懈付出:為驗證數據的可重復性,他們進行了上百次重復測量,并借助其他測量方法對數據進行交叉驗證。每一次實驗失敗后,他們都要重新審視每一個細節,尋找可能的誤差源……甚至一度懷疑自己的方向是否正確針對測量數據,團隊與飛田先生、石田先生等就其與以往論文的一致性展開深入討論,不僅在日本國內學術場合分享在海外舉辦的學術會議上展示測量數據,與多國研究者進行廣泛交流。鈴木先生感慨:項目啟動到論文發表耗時4 年,歷經了成百上千次實驗,這是工程師對科學精神的敬畏踐行。

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光鏈傳承:從行業標準到未來產業賦能

采訪中,當被問及職業生涯最驕傲的時刻,鈴木先生翻開一本2022年出版的《Phosphor Handbook》,這是一本全球發光材料研究者的案頭書。鈴木先生負責撰寫了其中的第13章節內容,系統闡述了發光量子效率的測量法,其中引用的 Quantaurus-QY 測試案例,覆蓋從有機晶體到鈣鈦礦的全材料體系。從 1924 年首篇 PLQY 測量論文發表,到濱松的技術被寫入行業權威書籍,這是跨越百年的技術接力。如今,QY 系列已成為全球超 3000 家實驗室的標配,從諾獎得主的研究組到中國頂尖高校,從實驗室到顯示行業的龍頭企業,它見證著發光材料從基礎研究到產業化的每一步躍遷。

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采訪中,鈴木先生給筆者展示其參與編著的Phosphor Handbook》,背景白板內容是鈴木先生現場板書講解團隊正在開發的兩款產品技術方向

采訪最后,談及發光材料領域未來的發展趨勢,鈴木先生表示,預計未來會有更多新型發光材料被開發并投入產業應用。圍繞這些新的需求,當前,鈴木先生團隊正將目光投向更高精度的發光材料評估等測量解決方案,并開發出兩款產品,希望這些高性能裝置為未來的產業發展做出貢獻。一款是高動態范圍光譜儀OPAL-Luxe。OPAL-Luxe是一種光檢測器,在較寬的波長范圍內具有250萬:1的高動態范圍,能夠同時對強信號和微弱信號進行多波長測量,為量子點顯示材料的多維度表征提供可能。另一款是microLED PL檢測裝置MINI-PL。該裝置用于評估次世代顯示器——microLED所需的材料。以往,microLED的良莠判斷需要較長的光致發光測量時間,導致其實用化進程緩慢。MINI-PL可以在晶圓階段進行測量,從而能夠在短時間內實現高精度測量。

后記

2010年進入中國市場以來,Quantaurus系列產品已在國內科研領域取得顯著成就。該系列設備累計銷量突破200套,憑借其卓越性能被譽為發光材料實驗室的"科研利器",更成為PLQY測試領域的行業"黃金標準"。由鈴木先生力推的絕對法測量PLQY核心技術理念,經過十余年實踐驗證,已深度融入國內科研工作體系,持續推動著相關領域的技術革新。

鈴木先生的25年職業生涯,映射著濱松需求驅動創新的底層邏輯:從安達教授的實驗室需求孵化技術原型,到滿足中國客戶需求推動產品升級,再到全球學術共同體的標準共建,Quantaurus-QY 的每一次進化都精準錨定用戶痛點。正如濱松的新口號不要說不可能,先做起來——當工程師的執著遇見真實的市場需求,光的軌跡便會照亮產業變革的方向。

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