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【原創(chuàng)】筱曉光子小科普—7.4um中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器測(cè)甲烷濃度

2024-11-09 13:47:04

一、甲烷特性

甲烷是無(wú)色、無(wú)味、可燃和微毒的氣體。甲烷對(duì)空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。

甲烷和空氣按適當(dāng)?shù)谋壤旌虾螅龌鸹〞?huì)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(chǔ)

1，朗伯比爾定律:

一束激光穿過(guò)濃度為C的被測(cè)氣體時(shí)，當(dāng)激光器的波長(zhǎng)和被測(cè)氣體某個(gè)吸收譜線中心頻率相同時(shí)，氣體分子會(huì)吸收光子而躍遷到高能級(jí)，表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減。

2，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù):

是對(duì)波長(zhǎng)的高頻調(diào)制并利用諧波檢測(cè)技術(shù)通過(guò)鎖相放大器獲得吸收光譜的諧波信號(hào)，根據(jù)諧波信號(hào)的峰值檢測(cè)氣體的濃度。

波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵是激光器的調(diào)諧波段的確定以及波長(zhǎng)調(diào)諧特性，激光器的特性直接可以決定檢測(cè)氣體的種類以及檢測(cè)系統(tǒng)的精度和應(yīng)用領(lǐng)域。分電流調(diào)諧和溫度調(diào)諧。激光器的工作溫度的變化會(huì)引起峰值波長(zhǎng)的漂移，對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)的影響遠(yuǎn)大于注入電流的影響。

3，諧波檢測(cè)理論:

諧波信號(hào)的獲取是利用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)的，鎖相放大器最核心的功能是對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波，激光器由于受到高頻正弦調(diào)制，光束攜帶有正弦調(diào)制信號(hào)的頻率信息，由于二次諧波線型峰值在譜線的中心，關(guān)于譜線中心是對(duì)稱的。同時(shí)，在偶次諧波中，二次諧波譜線強(qiáng)度最強(qiáng)，最容易獲取，因此選用二次諧波來(lái)檢測(cè)氣體。

從鎖相放大器獲得的二次諧波峰值信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)氣體濃度成線性關(guān)系，所以我們可以利用二次諧波峰值強(qiáng)度來(lái)計(jì)算氣體濃度。另外二次諧波峰值強(qiáng)度還與待測(cè)氣體溫度，壓力有關(guān)，我們?cè)跍y(cè)量氣體濃度時(shí)，還必須對(duì)氣體溫度，壓力進(jìn)行修正。

通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制，解調(diào)后的二次諧波理論圖形如下：

三、7.4um中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器

QCL是當(dāng)今最常用的中紅外（mid－IR）激光器。

QCL7.4um低功耗臺(tái)式DFB-QCL中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器是筱曉2018上半年開(kāi)發(fā)出的國(guó)內(nèi)首臺(tái)窄線寬超低功耗的QCL DFB激光器，具有下列優(yōu)勢(shì)：

調(diào)諧范圍7.35um-7.45um；
輸出功率大于10mw；
激光器準(zhǔn)直輸出，輸出功率穩(wěn)定；
窄線寬 3MHz；
溫度波長(zhǎng)穩(wěn)定性極高比傳統(tǒng)大功耗的量子級(jí)聯(lián)激光器的穩(wěn)定性高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

波長(zhǎng)調(diào)諧特性如下圖：

四、實(shí)驗(yàn)儀器及連接

1，儀器:

7.4um中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器
中遠(yuǎn)紅外非球面透鏡
甲烷氣體鋼瓶
中紅外光電探測(cè)器
簡(jiǎn)波氣室
示波器

2，連接示意圖:

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

2.2 給光電探測(cè)器插上電源，并打開(kāi)電壓控制按鈕；

2.3 量子級(jí)聯(lián)激光器出光處安裝非球面透鏡，光由高斯光束變?yōu)槠叫泄猓?jiǎn)波氣室輸入窗口對(duì)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光器出光方向，輸出窗口對(duì)準(zhǔn)光電探測(cè)器；

2.4 連接氣體鋼瓶與簡(jiǎn)波氣室，并向簡(jiǎn)波氣室內(nèi)充入少量甲烷氣體。

五、原理過(guò)程

利用電腦端的控制軟件調(diào)節(jié)電流和溫度的大小對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，使激光器實(shí)現(xiàn)一定波長(zhǎng)范圍的掃描，使輸出波長(zhǎng)覆蓋氣體的吸收峰，鎖相放大器提供高頻正弦調(diào)制信號(hào)，使激光器輸出頻率得到正弦調(diào)制，量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)非球面透鏡變?yōu)槠叫泄猓M(jìn)入簡(jiǎn)波氣室，經(jīng)過(guò)氣體吸收后由光電探測(cè)器接收，再經(jīng)過(guò)前置放大電路，利用鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)，輸出二次諧波信號(hào)，通過(guò)示波器顯示出來(lái)。得到幅值信息。

調(diào)試后二次諧波如下圖：