應用案例 | 基於4.5 μm量子級聯激光器的開放光路 N2O氣體檢測係統研究

近日，來自山東(dong) 師範大學的研究團隊發表了《基於(yu) 4.5 μm量子級聯激光器的開放光路N2O氣體(ti) 檢測係統研究》的研究成果。

項目背景

溫室氣體(ti) (Greenhouse Gas，GHG)的溫室效應引發全球變暖和氣候變化，這使得全球生態環境麵臨(lin) 著很大的威脅。一氧化二氮（N2O）是全球六大GHG之一，相較於(yu) 人們(men) 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(guan) 重要的。

N2O氣體(ti) 分子的吸收譜帶主要集中在中紅外區域，需要選用中紅外光源對N2O氣體(ti) 進行探測。近年來，隨著波長可調諧、可室溫工作的量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）的研發技術日益成熟，將其與(yu) 激光吸收光譜技術相結合，可以實現對氣體(ti) 的高分辨率、高靈敏度探測，被廣泛應用於(yu) 氣體(ti) 遙感探測領域。目前，結合激光吸收光譜技術及緊湊型多通道氣室（MGC），可實現對氣體(ti) 分子的快速響應，並達到較低的檢測限，但係統為(wei) 封閉式光學路徑，限製了在戶外環境中持續檢測的便攜性、實際適用性和空間覆蓋範圍。因此，開放式光學路徑的設計，對於(yu) 戶外大範圍環境中氣體(ti) 濃度的實時檢測是十分必要的。

係統搭建

米兰app下载苹果手机安装為(wei) 該項目提供了HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭、QC750-Touch™ 量子級聯激光屏顯驅動器、HPPD-M-B 前置放大製冷一體(ti) 型碲鎘汞（MCT）光電探測器。

HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭其波數的可調諧範圍是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1，最大輸出光功率可達 50 mW。 為(wei) 了充分發揮 QCL 的波長可調諧特性，結合激光器驅動，對 QCL 的工作溫度以及電流進行設置，進而得到係統中所需要的激光器發射中心波長。

QC750-Touch™ 量子級聯激光屏顯驅動器結合觸摸屏的顯示功能，極大的方便了用戶進行操作。 通過激光驅動器對注入激光器的電流進行更改，分析發射波數與(yu) 驅動電流的相關(guan) 性，調節驅動電流大小，分析在300 mA至360 mA的電流變化範圍內(nei) ，激光器波數隨驅動電流變化的響應曲線。可以得到，隨著電流逐漸增大，激光器的波數是逐漸減小的，對應的輸出波長是逐漸增大的，其響應曲線可以表示為(wei) ：y = -0.0271x + 2212.972。

同理，對激光器發射波數與(yu) 溫度的相關(guan) 性進行分析，對溫度進行調節，使激光器在30 °C至45 °C之間工作，分析激光器中心波數隨溫度變化的響應曲線。可以得到，隨著溫度逐漸升高，激光器的波數是逐漸減小的，對應的輸出波長是逐漸增大的，其響應曲線可以表示為(wei) ：y = -0.1716x + 2210.216。

綜上所述，根據所選用的N2O吸收譜線波數為(wei) 2203.7333cm-1，因此，所對應的QCL 中心電流和工作溫度應分別設置為(wei) 330 mA和36.0 °C。

HPPD-M-B 前置放大製冷一體(ti) 型碲鎘汞（MCT）光電探測器的感光麵積為(wei) 1×1 mm2，探測範圍較為(wei) 廣泛，可達到 2μm-14μm，滿足本係統探測的需求。由於(yu) 探測器接收到的回波信號較為(wei) 微弱，在對數據進行處理前，需要對信號進行放大，而該型號的探測器內(nei) 部設計有前置放大器，以便後續可直接進行諧波解調和濃度反演等數據處理，同時也對係統的設計進行了簡化。

結論與(yu) 創新點：使用該檢測係統對大氣中 N2O 濃度進行實時檢測是可行的。

(1) 選用QCL作為(wei) 發射光源。QCL 具有波長調諧範圍廣、輸出功率較高、並且可以在室溫條件下工作的出色性能。選取譜線位置為(wei) 2203.73 cm-1，能有效避免其他氣體(ti) 的幹

擾，實現對N2O氣體(ti) 分子的高靈敏度檢測。

(2) 為(wei) 了避免MGC在遠程或戶外的大範圍環境檢測研究中的限製性，選用離軸拋物麵反射鏡和角反射鏡，搭建了開放式光學路徑的N2O氣體(ti) 檢測係統。將大部分光學元件安裝在一個(ge) 光學平台上，實現了係統的緊湊、便攜特性，並滿足開放式、大範圍環境監測的需求。

(3) 經驗證，當積分時間為(wei) 1s時，N2O檢測限為(wei) 1.1 ppb，當積分時間延長至95 s時，係統達到檢測下限為(wei) 0.14 ppb。結合實驗結果，表征了係統的高精確度、高靈敏度、低檢測限的性能，並且滿足對大氣環境中N2O濃度測量的標準。

參考文獻：

張玉容，趙曰峰《基於(yu) 4.5 μm量子級聯激光器的開放光路 N2O氣體(ti) 檢測係統研究》