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應(yīng)用案例 | 基于4.5 μm量子級聯(lián)激光器的開放光路 N2O氣體檢測系統(tǒng)研究
近日，來自山東師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了《基于4.5 μm量子級聯(lián)激光器的開放光路N2O氣體檢測系統(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，它對臭氧（O3）也有一定的破壞作用。因此，有效探測大氣中的N2O含量及其濃度變化趨勢是至關(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N2O氣體進(jìn)行探測。近年來，隨著波長可調(diào)諧、可室溫工作的量子級聯(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)對氣體的高分辨率、高靈敏度探測，被廣泛應(yīng)用于氣體遙感探測領(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)對氣體分子的快速響應(yīng)，并達(dá)到較低的檢測限，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)，對于戶外大范圍環(huán)境中氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測是十分必要的。
系統(tǒng)搭建
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)量子級聯(lián)激光發(fā)射頭、QC750-Touch™ 量子級聯(lián)激光屏顯驅(qū)動器、HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞（MCT）光電探測器。
HPQCL-Q™ 標(biāo)準(zhǔn)量子級聯(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 的波長可調(diào)諧特性，結(jié)合激光器驅(qū)動，對 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。
QC750-Touch™ 量子級聯(lián)激光屏顯驅(qū)動器結(jié)合觸摸屏的顯示功能，極大的方便了用戶進(jìn)行操作。 通過激光驅(qū)動器對注入激光器的電流進(jìn)行更改，分析發(fā)射波數(shù)與驅(qū)動電流的相關(guān)性，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小，分析在300 mA至360 mA的電流變化范圍內(nèi)，激光器波數(shù)隨驅(qū)動電流變化的響應(yīng)曲線。可以得到，隨著電流逐漸增大，激光器的波數(shù)是逐漸減小的，對應(yīng)的輸出波長是逐漸增大的，其響應(yīng)曲線可以表示為：y = -0.0271x + 2212.972。
同理，對激光器發(fā)射波數(shù)與溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析，對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光器在30 °C至45 °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?，隨著溫度逐漸升高，激光器的波數(shù)是逐漸減小的，對應(yīng)的輸出波長是逐漸增大的，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，所對應(yīng)的QCL 中心電流和工作溫度應(yīng)分別設(shè)置為330 mA和36.0 °C。
HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞（MCT）光電探測器的感光面積為1×1 mm2，探測范圍較為廣泛，可達(dá)到 2μm-14μm，滿足本系統(tǒng)探測的需求。由于探測器接收到的回波信號較為微弱，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，需要對信號進(jìn)行放大，而該型號的探測器內(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)也對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡化。
結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)：使用該檢測系統(tǒng)對大氣中 N2O 濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測是可行的。
(1) 選用QCL作為發(fā)射光源。QCL 具有波長調(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N2O氣體分子的高靈敏度檢測。
(2) 為了避免MGC在遠(yuǎn)程或戶外的大范圍環(huán)境檢測研究中的限制性，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氣體檢測系統(tǒng)。將大部分光學(xué)元件安裝在一個(gè)光學(xué)平臺上，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)測的需求。
(3) 經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)積分時(shí)間為1s時(shí)，N2O檢測限為1.1 ppb，當(dāng)積分時(shí)間延長至95 s時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到檢測下限為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、低檢測限的性能，并且滿足對大氣環(huán)境中N2O濃度測量的標(biāo)準(zhǔn)。
張玉容，趙曰峰《基于4.5 μm量子級聯(lián)激光器的開放光路 N2O氣體檢測系統(tǒng)研究》