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【原创】筱晓光子小科普—7.4um中红外量子级联激光器测甲烷浓度

2024-11-09 13:47:04

【原创】筱晓光子小科普—7.4um中红外量子级联激光器测甲烷浓度

一、甲烷特性


甲烷是无色、无味、可燃和微毒的气体。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。
甲烷和空气按适当的比例混合后，遇火花会发生爆炸。甲烷在自然界中分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。


二、理论基础

  1，朗伯比尔定律:  

一束激光穿过浓度为C的被测气体时，当激光器的波长和被测气体某个吸收谱线中心频率相同时，气体分子会吸收光子而跃迁到高能级，表现为气体吸收波段激光光强的衰减。

  2，波长调制技术:  

是对波长的高频调制并利用谐波检测技术通过锁相放大器获得吸收光谱的谐波信号，根据谐波信号的峰值检测气体的浓度。
波长调制技术的关键是激光器的调谐波段的确定以及波长调谐特性，激光器的特性直接可以决定检测气体的种类以及检测系统的精度和应用领域。分电流调谐和温度调谐。激光器的工作温度的变化会引起峰值波长的漂移，对激光器输出波长的影响远大于注入电流的影响。

  3，谐波检测理论:  

谐波信号的获取是利用锁相放大器实现的，锁相放大器最核心的功能是对交变信号进行相敏检波，激光器由于受到高频正弦调制，光束携带有正弦调制信号的频率信息，由于二次谐波线型峰值在谱线的中心，关于谱线中心是对称的。同时，在偶次谐波中，二次谐波谱线强度最强，最容易获取，因此选用二次谐波来检测气体。
从锁相放大器获得的二次谐波峰值信号强度与待测气体浓度成线性关系，所以我们可以利用二次谐波峰值强度来计算气体浓度。另外二次谐波峰值强度还与待测气体温度，压力有关，我们在测量气体浓度时，还必须对气体温度，压力进行修正。

通过波长调制，解调后的二次谐波理论图形如下：

672ef8d2c7db5.png


三、7.4um中红外量子级联激光器

672ef8d2bf424.jpg

QCL是当今最常用的中红外（mid－IR）激光器。
QCL7.4um低功耗台式DFB-QCL中红外量子级联激光器是筱晓2018上半年开发出的国内首台窄线宽超低功耗的QCL DFB激光器，具有下列优势：

  • 调谐范围7.35um-7.45um；

  • 输出功率大于10mw；

  • 激光器准直输出，输出功率稳定；

  • 窄线宽 3MHz；

  • 温度波长稳定性极高比传统大功耗的量子级联激光器的稳定性高出好几个数量级。


波长调谐特性如下图：

672ef8d2e31ab.png


四、实验仪器及连接

  1，仪器:  

  • 7.4um中红外量子级联激光器

  • 中远红外非球面透镜

  • 甲烷气体钢瓶

  • 中红外光电探测器

  • 简波气室

  • 示波器


  2，连接示意图:  

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2.1 中红外量子级联激光器连接USB与电源线，然后PREAMP端口连接光电探测器，DAC OUT 端口连接示波器通道2作为输入信号，TRIGGER端口连接示波器通道1作为触发信号；
2.2 给光电探测器插上电源，并打开电压控制按钮；
2.3 量子级联激光器出光处安装非球面透镜，光由高斯光束变为平行光，简波气室输入窗口对准量子级联激光器出光方向，输出窗口对准光电探测器；
2.4 连接气体钢瓶与简波气室，并向简波气室内充入少量甲烷气体。


五、原理过程

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利用电脑端的控制软件调节电流和温度的大小对波长进行调谐，使激光器实现一定波长范围的扫描，使输出波长覆盖气体的吸收峰，锁相放大器提供高频正弦调制信号，使激光器输出频率得到正弦调制，量子级联激光器发出的光，经过非球面透镜变为平行光，进入简波气室，经过气体吸收后由光电探测器接收，再经过前置放大电路，利用锁相放大器进行解调，输出二次谐波信号，通过示波器显示出来。得到幅值信息。

调试后二次谐波如下图：

672ef8d386b88.png
（图1） 

由图可知，浓度为100ppm的甲烷，二次谐波幅值可达15V。

检测未知浓度的气体时，不同浓度的甲烷气体，调制参数不变，二次谐波的幅值大小和浓度成线性关系，利用这种线性关系，就可推导出气体浓度。


六、1653.7nmDFB激光器和7.4um量子级联激光器测甲烷浓度的比较

下表是通过查询Hitran数据库得到的甲烷在两个波长附近处吸收强度的比较：

672ef8d38ccd0.png
下图是二次谐波幅值的比较：

672ef8d3d3c66.png
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通过比较，我们看到：

  • 甲烷气体在7.4um处有更强的吸收峰；

  • 甲烷气体在7.4um处的二次谐波幅值是1653.7nm处的近10倍。



结论：中红外量子级联激光器测气体浓度的探测精度更高，探测下限更低。
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