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应用案例 | 基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路 N2O气体检测系统研究

更新日期:2023-10-17      点击次数:677

近日,来自山东师范大学的研究团队发表了基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路N2O气体检测系统研究的研究成果。

项目背景

温室气体(Greenhouse Gas,GHG)的温室效应引发全球变暖和气候变化,这使得全球生态环境面临着很大的威胁。一氧化二氮N2O是全球六大GHG之一,相较于人们熟知的二氧化碳CO2,N2O含量相对较低,但其全球变暖潜能值Global Warming Potential, GWP却是CO2的310倍左右,此外,它对臭氧O3也有一定的破坏作用。因此,有效探测大气中的N2O含量及其浓度变化趋势是至关重要的。

N2O气体分子的吸收谱带主要集中在中红外区域需要选用中红外光源对N2O气体进行探测。近年来,随着波长可调谐、可室温工作的量子级联激光器Quantum Cascade Laser, QCL的研发技术日益成熟,将其与激光吸收光谱技术相结合,可以实现对气体的高分辨率、高灵敏度探测,被广泛应用于气体遥感探测领域。目前,结合激光吸收光谱技术及紧凑型多通道气室MGC,可实现对气体分子的快速响应,并达到较低的检测限,但系统为封闭式光学路径,限制了在户外环境中持续检测的便携性、实际适用性和空间覆盖范围。因此,开放式光学路径的设计,对于户外大范围环境中气体浓度的实时检测是十分必要的。

系统搭建

系统搭建图

宁波海尔欣光电科技有限公司为该项目提供了HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头QC750-Touch™ 量子级联激光屏显驱动器、HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞(MCT)光电探测器

HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头其波数的可调谐范围是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1,最大输出光功率可达 50 mW。 为了充分发挥 QCL 的波长可调谐特性,结合激光器驱动,对 QCL 的工作温度以及电流进行设置,进而得到系统中所需要的激光器发射中心波长。

前置放大制冷一体型碲镉汞红外探测器(HPPD-B-08-10-150 K)

QC750-Touch™ 量子级联激光屏显驱动器结合触摸屏的显示功能,极大的方便了用户进行操作。 通过激光驱动器对注入激光器的电流进行更改,分析发射波数与驱动电流的相关性,调节驱动电流大小,分析在300 mA360 mA的电流变化范围内,激光器波数随驱动电流变化的响应曲线。可以得到,随着电流逐渐增大,激光器的波数是逐渐减小的,对应的输出波长是逐渐增大的,其响应曲线可以表示为:y = -0.0271x + 2212.972

同理,对激光器发射波数与温度的相关性进行分析,对温度进行调节,使激光器在30 °C45 °C之间工作,分析激光器中心波数随温度变化的响应曲线。可以得到,随着温度逐渐升高,激光器的波数是逐渐减小的,对应的输出波长是逐渐增大的,其响应曲线可以表示为:y = -0.1716x + 2210.216

综上所述,根据所选用的N2O吸收谱线波数为2203.7333cm-1,因此,所对应的QCL 中心电流和工作温度应分别设置为330 mA36.0 °C

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HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞(MCT)光电探测器的感光面积为1×1 mm2,探测范围较为广泛,可达到 2μm-14μm,满足本系统探测的需求。由于探测器接收到的回波信号较为微弱,在对数据进行处理前,需要对信号进行放大,而该型号的探测器内部设计有前置放大器,以便后续可直接进行谐波解调和浓度反演等数据处理,同时也对系统的设计进行了简化。

前置放大制冷一体型碲镉汞红外探测器(HPPD-B-08-10-150 K)

结论与创新点:使用该检测系统对大气中 N2O 浓度进行实时检测是可行的。

(1) 选用QCL作为发射光源。QCL 具有波长调谐范围广、输出功率较高、并且可以在室温条件下工作的出色性能。选取谱线位置为 2203.73 cm-1,能有效避免其他气体的干

扰,实现对N2O气体分子的高灵敏度检测。

(2) 为了避免MGC在远程或户外的大范围环境检测研究中的限制性,选用离轴抛物面反射镜和角反射镜,搭建了开放式光学路径的N2O气体检测系统。将大部分光学元件安装在一个光学平台上,实现了系统的紧凑、便携特性,并满足开放式、大范围环境监测的需求。

(3) 经验证,当积分时间为1s时,N2O检测限为1.1 ppb,当积分时间延长至95 s时,系统达到检测下限为0.14 ppb。结合实验结果,表征了系统的高精确度、高灵敏度、低检测限的性能,并且满足对大气环境中N2O浓度测量的标准。

参考文献:

张玉容,赵曰峰《基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路 N2O气体检测系统研究


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