7.4um中紅外量子級聯激光器測甲烷濃度

2021-07-07 10:22:53

一、甲烷特性

甲烷是無色、無味、可燃和微毒的氣體。甲烷對空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。

甲烷和空氣按適當的比例混合后，遇火花會發(fā)生爆炸。甲烷在自然界中分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。

二、理論基礎

  1，朗伯比爾定律:  

一束激光穿過濃度為C的被測氣體時，當激光器的波長和被測氣體某個吸收譜線中心頻率相同時，氣體分子會吸收光子而躍遷到高能級，表現為氣體吸收波段激光光強的衰減。

  2，波長調制技術:  

是對波長的高頻調制并利用諧波檢測技術通過鎖相放大器獲得吸收光譜的諧波信號，根據諧波信號的峰值檢測氣體的濃度。

波長調制技術的關鍵是激光器的調諧波段的確定以及波長調諧特性，激光器的特性直接可以決定檢測氣體的種類以及檢測系統(tǒng)的精度和應用領域。分電流調諧和溫度調諧。激光器的工作溫度的變化會引起峰值波長的漂移，對激光器輸出波長的影響遠大于注入電流的影響。

  3，諧波檢測理論:  

諧波信號的獲取是利用鎖相放大器實現的，鎖相放大器最核心的功能是對交變信號進行相敏檢波，激光器由于受到高頻正弦調制，光束攜帶有正弦調制信號的頻率信息，由于二次諧波線型峰值在譜線的中心，關于譜線中心是對稱的。同時，在偶次諧波中，二次諧波譜線強度最強，最容易獲取，因此選用二次諧波來檢測氣體。

從鎖相放大器獲得的二次諧波峰值信號強度與待測氣體濃度成線性關系，所以我們可以利用二次諧波峰值強度來計算氣體濃度。另外二次諧波峰值強度還與待測氣體溫度，壓力有關，我們在測量氣體濃度時，還必須對氣體溫度，壓力進行修正。

通過波長調制，解調后的二次諧波理論圖形如下：

三、7.4um中紅外量子級聯激光器

QCL是當今最常用的中紅外（mid－IR）激光器。

QCL7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子級聯激光器是筱曉2018上半年開發(fā)出的國內先進窄線寬超低功耗的QCL DFB激光器，具有下列優(yōu)勢：

調諧范圍7.35um-7.45um；

輸出功率大于10mw；

激光器準直輸出，輸出功率穩(wěn)定；

窄線寬 3MHz；

溫度波長穩(wěn)定性非常高比傳統(tǒng)大功耗的量子級聯激光器的穩(wěn)定性高出好幾個數量級。

波長調諧特性如下圖：

四、實驗儀器及連接

  1，儀器:  

7.4um中紅外量子級聯激光器

中遠紅外非球面透鏡

甲烷氣體鋼瓶

中紅外光電探測器

簡波氣室

示波器

  2，連接示意圖:  

2.1 中紅外量子級聯激光器連接USB與電源線，然后PREAMP端口連接光電探測器，DAC OUT 端口連接示波器通道2作為輸入信號，TRIGGER端口連接示波器通道1作為觸發(fā)信號；

2.2 給光電探測器插上電源，并打開電壓控制按鈕；

2.3 量子級聯激光器出光處安裝非球面透鏡，光由高斯光束變?yōu)槠叫泄?，簡波氣室輸入窗口對準量子級聯激光器出光方向，輸出窗口對?a href="http://www.mzsyx.com/" target="_self">光電探測器；

2.4 連接氣體鋼瓶與簡波氣室，并向簡波氣室內充入少量甲烷氣體。

五、原理過程

利用電腦端的控制軟件調節(jié)電流和溫度的大小對波長進行調諧，使激光器實現一定波長范圍的掃描，使輸出波長覆蓋氣體的吸收峰，鎖相放大器提供高頻正弦調制信號，使激光器輸出頻率得到正弦調制，量子級聯激光器發(fā)出的光，經過非球面透鏡變?yōu)槠叫泄?，進入簡波氣室，經過氣體吸收后由光電探測器接收，再經過前置放大電路，利用鎖相放大器進行解調，輸出二次諧波信號，通過示波器顯示出來。得到幅值信息。

調試后二次諧波如下圖：

由圖可知，濃度為100ppm的甲烷，二次諧波幅值可達15V。

檢測未知濃度的氣體時，不同濃度的甲烷氣體，調制參數不變，二次諧波的幅值大小和濃度成線性關系，利用這種線性關系，就可推導出氣體濃度。

六、1653.7nmDFB激光器和7.4um量子級聯激光器測甲烷濃度的比較

下表是通過查詢Hitran數據庫得到的甲烷在兩個波長附近處吸收強度的比較：

下圖是二次諧波幅值的比較：

通過比較，我們看到：

甲烷氣體在7.4um處有更強的吸收峰；

甲烷氣體在7.4um處的二次諧波幅值是1653.7nm處的近10倍。

結論：中紅外量子級聯激光器測氣體濃度的探測精度更高，探測下限更低。