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應(yīng)用案例 | 基于4.5 μm量子級(jí)聯(lián)激光器的開放光路 N2O氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究

更新日期:2023-10-17      點(diǎn)擊次數(shù):1450

近日,來(lái)自山東師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了基于4.5 μm量子級(jí)聯(lián)激光器的開放光路N2O氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究的研究成果。

項(xiàng)目背景

溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)的溫室效應(yīng)引發(fā)全球變暖和氣候變化,這使得全球生態(tài)環(huán)境面臨著很大的威脅。一氧化二氮N2O是全球六大GHG之一,相較于人們熟知的二氧化碳CO2,N2O含量相對(duì)較低,但其全球變暖潛能值Global Warming Potential, GWP卻是CO2的310倍左右,此外,它對(duì)臭氧O3也有一定的破壞作用。因此,有效探測(cè)大氣中的N2O含量及其濃度變化趨勢(shì)是至關(guān)重要的。

N2O氣體分子的吸收譜帶主要集中在中紅外區(qū)域,需要選用中紅外光源對(duì)N2O氣體進(jìn)行探測(cè)。近年來(lái),隨著波長(zhǎng)可調(diào)諧、可室溫工作的量子級(jí)聯(lián)激光器Quantum Cascade Laser, QCL的研發(fā)技術(shù)日益成熟,將其與激光吸收光譜技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的高分辨率、高靈敏度探測(cè),被廣泛應(yīng)用于氣體遙感探測(cè)領(lǐng)域。目前,結(jié)合激光吸收光譜技術(shù)及緊湊型多通道氣室MGC,可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的快速響應(yīng),并達(dá)到較低的檢測(cè)限,但系統(tǒng)為封閉式光學(xué)路徑,限制了在戶外環(huán)境中持續(xù)檢測(cè)的便攜性、實(shí)際適用性和空間覆蓋范圍。因此,開放式光學(xué)路徑的設(shè)計(jì),對(duì)于戶外大范圍環(huán)境中氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是十分必要的。

系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)搭建圖

寧波海爾欣光電科技有限公司為該項(xiàng)目提供了HPQCL-Q™ 標(biāo)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭QC750-Touch™ 量子級(jí)聯(lián)激光屏顯驅(qū)動(dòng)器、HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞(MCT)光電探測(cè)器。

HPQCL-Q™ 標(biāo)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭其波數(shù)的可調(diào)諧范圍是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1,最大輸出光功率可達(dá) 50 mW。 為了充分發(fā)揮 QCL 的波長(zhǎng)可調(diào)諧特性,結(jié)合激光器驅(qū)動(dòng),對(duì) QCL 的工作溫度以及電流進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)而得到系統(tǒng)中所需要的激光器發(fā)射中心波長(zhǎng)。

前置放大制冷一體型碲鎘汞紅外探測(cè)器(HPPD-B-08-10-150 K)

QC750-Touch™ 量子級(jí)聯(lián)激光屏顯驅(qū)動(dòng)器結(jié)合觸摸屏的顯示功能,極大的方便了用戶進(jìn)行操作。 通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器對(duì)注入激光器的電流進(jìn)行更改,分析發(fā)射波數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流的相關(guān)性,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小,分析在300 mA360 mA的電流變化范圍內(nèi),激光器波數(shù)隨驅(qū)動(dòng)電流變化的響應(yīng)曲線??梢缘玫?,隨著電流逐漸增大,激光器的波數(shù)是逐漸減小的,對(duì)應(yīng)的輸出波長(zhǎng)是逐漸增大的,其響應(yīng)曲線可以表示為:y = -0.0271x + 2212.972

同理,對(duì)激光器發(fā)射波數(shù)與溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析,對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),使激光器在30 °C45 °C之間工作,分析激光器中心波數(shù)隨溫度變化的響應(yīng)曲線??梢缘玫剑S著溫度逐漸升高,激光器的波數(shù)是逐漸減小的,對(duì)應(yīng)的輸出波長(zhǎng)是逐漸增大的,其響應(yīng)曲線可以表示為:y = -0.1716x + 2210.216。

綜上所述,根據(jù)所選用的N2O吸收譜線波數(shù)為2203.7333cm-1,因此,所對(duì)應(yīng)的QCL 中心電流和工作溫度應(yīng)分別設(shè)置為330 mA36.0 °C。

2-01

HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞(MCT)光電探測(cè)器的感光面積為1×1 mm2,探測(cè)范圍較為廣泛,可達(dá)到 2μm-14μm,滿足本系統(tǒng)探測(cè)的需求。由于探測(cè)器接收到的回波信號(hào)較為微弱,在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,而該型號(hào)的探測(cè)器內(nèi)部設(shè)計(jì)有前置放大器,以便后續(xù)可直接進(jìn)行諧波解調(diào)和濃度反演等數(shù)據(jù)處理,同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

前置放大制冷一體型碲鎘汞紅外探測(cè)器(HPPD-B-08-10-150 K)

結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn):使用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大氣中 N2O 濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是可行的。

(1) 選用QCL作為發(fā)射光源。QCL 具有波長(zhǎng)調(diào)諧范圍廣、輸出功率較高、并且可以在室溫條件下工作的出色性能。選取譜線位置為 2203.73 cm-1,能有效避免其他氣體的干

擾,實(shí)現(xiàn)對(duì)N2O氣體分子的高靈敏度檢測(cè)。

(2) 為了避免MGC在遠(yuǎn)程或戶外的大范圍環(huán)境檢測(cè)研究中的限制性,選用離軸拋物面反射鏡和角反射鏡,搭建了開放式光學(xué)路徑的N2O氣體檢測(cè)系統(tǒng)。將大部分光學(xué)元件安裝在一個(gè)光學(xué)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的緊湊、便攜特性,并滿足開放式、大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

(3) 經(jīng)驗(yàn)證,當(dāng)積分時(shí)間為1s時(shí),N2O檢測(cè)限為1.1 ppb,當(dāng)積分時(shí)間延長(zhǎng)至95 s時(shí),系統(tǒng)達(dá)到檢測(cè)下限為0.14 ppb。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表征了系統(tǒng)的高精確度、高靈敏度、低檢測(cè)限的性能,并且滿足對(duì)大氣環(huán)境中N2O濃度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn):

張玉容,趙曰峰《基于4.5 μm量子級(jí)聯(lián)激光器的開放光路 N2O氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究


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