基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展解读

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基于光纤激光器和光声光谱的气体检测

基于光纤激光器和光声光谱的气体检测
利用激光光谱技术对气体浓度检测,在工业过程控制,环境污染监测,医疗诊断领域中近年来获得了关注。

能够匹配气体吸收线的激光光源是一个关键因素。

光纤激光器在激光吸收光谱领域越来越多的被使用,因为它们有很宽的可调波长范围能够覆盖很多种气体的吸收峰。

本文讨论了基于光纤激光器技术用于气体检测的三种方法。

利用压电陶瓷控制FBG的可调谐激光器,实现了波长调制技术。

同时利用气室和M-Z干涉仪的组合实现了主动滤波的功能,可以用于主动锁定气体吸收峰的光源的实现。

两种方法都用于了实际检测气体浓度值的测量中。

另外我们根据实验中观测到的波长漂移现象,利用气体作为带阻滤波器和一个带通滤波器组合得到了用于实现可调双波长的滤波器。

光声光谱技术正在广泛的应用于微量气体检测的领域,基于石英音叉的光声光谱技术有助于提高传统光声光谱技术的探测灵敏度和效率,因而受到越来越多的关注。

对于音叉谐振频率部分,通过具体实验测量,着重研究汞蒸气浓度与音叉谐振频率的相互作用。

科技成果——基于TDLAS技术的激光在线气体分析技术

科技成果——基于TDLAS技术的激光在线气体分析技术技术开发单位山西国惠光电科技有限公司适用范围本技术适用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等行业的气体泄漏安全监测。

该技术弥补了目前市场上的“点”式测量探头只能测量空间某个“测量点”，有一定盲区的技术不足，实现了空间“线”区域的气体浓度测量，测量气体浓度可完全覆盖一定区域，弥补了“点”式测量原理的技术不足。

成果简介采用半导体激光调制光谱吸收技术（简称TDLAS技术）实现了O2、CO、CH4、CO2、H2S、NH3、HCN、H2O、HF、HCl等几十种工业过程气体浓度的实时测量，测量灵敏度可达到ppm、ppb级。

半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。

由半导体激光器发射出特定波长的激光束（仅能被被测气体吸收），穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系符合比尔朗伯定律，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

关键技术关键技术一：TDLAS激光光谱分析技术。

采用先进的激光波长调制光谱分析技术来实现对气体浓度的反演测量，提高系统测量精度，使系统测量精度达到ppm级。

关键技术二：高精度、低噪声激光波长调试技术。

通过采用精密电子技术，达到对激光器温度精密控制，激光器工作电流的精密控制来实现对激光波长的精密调谐，温度控制稳定度要达到10mK的精度。

关键技术三：高性能数字信号处理嵌入式平台处理技术。

能够对测量信号进行高速采集，实时高速数据处理，数字信号滤波能功能，来实现设备的高灵敏度测量。

主要技术指标（1）以O2为例，气体测量量程：0-2%；系统测量时间：≤1s；线性误差：≤±2%F.S（测量范围）；量程漂移：≤±2%F.S（测量范围）；零点漂移：≤±2%F.S（测量范围）。

（2）防爆标志：ExdIIBT4；防护等级：IP65；电源：DC-24V/3A；吹扫气体：0.3-0.8MPa工业氮气；工业环境温度：-20℃到50℃。

光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇

光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇光声光谱微量气体检测技术及其应用研究1光声光谱微量气体检测技术及其应用研究在各种工业生产和科学研究中，微量气体检测技术变得越来越重要。

然而，传统的检测方法通常需要大型仪器和昂贵的操作费用，这极大地限制了其实际应用。

光声光谱技术因其快速，准确，非侵入性和高灵敏度而备受关注，尤其是在微量气体检测中的应用。

本文将阐述光声光谱技术的原理及其应用研究成果。

光声光谱技术简介光声光谱技术是一种新兴的检测技术，结合了光学和声学的优势，通过激光光束的吸收和散射声波的检测来实现气体分子的检测。

当一束激光穿过待测气体时，光子会和气体分子发生相互作用，产生吸收的效应，从而激发声波信号。

检测的声波信号可以被转化为数值信号分析和研究。

由于气体分子的吸收光谱与其分子构型和化学组成有关，因此，可以通过测量吸收光谱的波长和强度来鉴定待测气体分子，进而实现其检测。

光声光谱技术的应用大气环境监测：空气中存在的微量气体成分是影响大气环境质量的重要因素。

传统的大气环境监测方法通常需要收集样品后带回实验室进行分析，无法实现在线监测。

而光声光谱技术可以在现场对空气中的微量气体，如二氧化碳和甲醛等进行在线监测。

韩国科技大学研究发现，利用光声光谱技术可以在空气中检测到ppm级别的甲醛浓度，这与传统的红外吸收光谱相比具有更高的检测灵敏度。

生物医学检测：在生物医学领域，研究人员一直在寻找一种高灵敏度、快速、非侵入性检测微量分子的方法。

光声光谱技术可以通过检测人体呼出气体中携带的微量气体，如一氧化氮和碳氢化合物等，来辅助疾病诊断。

研究人员利用光声光谱技术检测呼出气体中的一氧化氮和乙醇等，可以实现对肝癌和乳腺癌的早期诊断。

食品安全检测：光声光谱技术也可以用于食品安全检测。

例如，在辣椒果实中，甲醛、乙醛和丙酮等有毒化学物质的含量可能会超过安全标准。

研究人员可以利用光声光谱技术检测出这些化学物质，以确保食品的安全性。

采用激光共振光声光谱技术检测乙炔气体

1.6
1520nm
微音器
温度电流参考信号驱动光声信号
吸收系数/cm-1MPa-11.20.8激光控制器
计算机
锁相放大器
0.4
0 6400
6500
6600
6700
图 1 气体的光声光谱检测原理 Fig.1 Schematic diagram of gaseous photoacoustic detection
1. 实验装置
1.1 概述光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生的热能的一种光谱量热技 [11] 术。在气体的光声效应中，气体分子吸收经过调制的特定波长红外辐射而被激发到高能态，由于高能态极不稳定，分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能变为热能而回到基态；由于光能是周期调制的，这使得密闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化，宏观上表现为压力的变化，即产生声波。由于声波的频率与光源调制频率相同，而其强度则与吸收气体的体积分数有关，因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确检测出气池中各气体的体积分数。据此原理，本文构建的用于检测乙炔气体的光声光谱检测装置如图 1 所示。激光器发出能被乙炔分子吸收的特定波长红外辐射，经斩波器 SR540 调制成一定频率的断续光束
激光器斩波器光声池
信号分别作为待检信号和参考信号送入锁相放大器 SR830，经互相关检测，提取出光声信号的强度值，送入计算机进行后续处理。在图 1 所示的装置中，红外光源的选择与光声池的设计是构建气体光声光谱检测装置的关键。 1.2 红外光源的选择按照辐射特性，光源可分为非相干光源和相干的激光光源两类。与非相干光源相比，激光光源具有功率大、单色性及准直性好的特点，能够提高气体的检测灵敏度，降低气体间的交叉吸收干扰，便于光声池的优化设计，因而，本文采用了激光光源。在现有的激光光源中，分布反馈半导体激光器具有可调谐、窄线宽、长寿命、室温工作、操作简便、体积轻巧、价格低廉等优点，适合工业现场的应用要求，本文选用 NEL 公司的分布反馈半导体激光器作为光声光谱检测装置的光源。要激发起气体的光声效应，一个必要条件是激光器的工作波长必须与气体的特征吸收谱线相一致，因此，激光器工作波长的确定是选择光源的关键问题。由于市场上现有分布反馈半导体激光器的辐射波长均在 2m 以下的近红外区，图 2 给出乙炔分子在该区域中吸收最强的一段红外光谱。由图 2 可以看出，相同条件下，为了使乙炔对红外辐射的吸收更强，选择乙炔在该波段具有最强吸收的吸收谱线所对应的波长 1520nm 作为激光器的工作波长。考虑到从变压器油中脱出的气体不仅仅是乙炔，还含有乙烷、乙烯等气体，在选择乙炔的特征吸收谱线时，还要注意避免这些气体对乙炔特征吸收谱线的交叉吸收。经查阅 HITRAN2004 数据库 [12] ，结果表明除乙炔外，乙烷、乙烯等故障特征气体对波长为 1520nm 的红外辐射均不吸收。

基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析

ａｄａｅｙｅｅｃｎｅｔｔｎａｅｉｖｓｇｔｄｎｃｔｌｎｏｃｎｒｉｒｎｅｔａｅ．Ｔｅｈｇ－ｅｏｕｉｎｐｏｏｃｕｔｐｃｒｍｅｒｙ１５ｘｉｈｒｔａｏｉｈｉｈｒｓｌｔｈｔａｏｓｉｓｅｔｏｃｕｎａｂ．ｍｎｔｅｆｓＩｉ
Ａｂｓｒｃ：Ａｃｔｌｎｎｏｌｉｎｉｏｔｎｈｒｃｅｉｔｃｇｓｔａｔｅｙｅｅｉｉｓａｍｐｒａｔｃａａｔｒｓｉａ，ｗｈｃｅｅｔｈａｌｉｃａｇａｌｏｒｎｆｒｒｉｈｒｆｃｓｔｅｅｒｙｄｓｈｒｅｆｕｔｆｔａｓｏｍｅｌｏｔｅｉ—ｍｍｅｓｄｅｅｔｃｌｅｕｐｍｅｔｒｏｈｒｏｌｉｒｅｌｃｒａｑｉｉｎ．Ｄｉｄａｅｈｔａｏｔｃｓｅｔｏｃｐｅｓｒｔｃｎｌｇａｇｅｓ— ｏｅｌｓｒｐｏｏｃｕｓｉｐｃｒｓｏｙｓｎｏｅｈｏｏｙｈｓｈｉｈｓｎｉｔｖｔｉｉｙ，ｇｏｅｅｔｖｔｎｔｏｄｓｌｃｉｉｙａｄｅｃ，ａｄｃｎｂｐｌｅｏｔｅｄｔｃｉｎｏａｏｃｎｒｔｎｇｓｓｎａｅａｐｉｄｔｈｅｅｔｏｆｗｅｋｃｎｅｔａｉａｅ．Ａｏｔｂｅａｄｔｎｏｐｒａｌｎｕ — ａｌｘｅｍｅｔｌｓｔｐｗｉｉｔｉｕｅｅｄｃｉｄａｅａｅｎｄｖｌｐｄｉｈｓｐｐｒｂｅｅｐｒｎａｅｕｔｄｓｒｂｔｄｆｅｂａｋｄｏｅｌｓｒｈｓｂｅｅｅｏｅｎｔｉａｅ．Ｔｈｏｇｘｅｍｅｔｉｈｒｕｈｅｐｒｎｓｉｐｏｏｃｕｔｃｃｌｐｒｐｒｙｐｒｍｅｅｓａｅａａｙｅｈｔａｏｓｉｅｌｏｅｔａａｔｒｒｎｌｚｄ，ｔｅｌｗｓｔａｈｅｐｏｏｃｕｔｉｎｌｖｒｅｔｈａｅｏｒｈａｈｔｔｈｔａｏｓｉｓｇａａｉｓｗｉｔｅｌｓｒｐｗｅｃｈ

基于半导体激光器的气体传感器研究

基于半导体激光器的气体传感器研究基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的气体传感技术在气体浓度检测领域具有其他方法无可比拟的优势：具有很高的测量精度，可达ppm甚至ppb量级；针对性强，不会被其他气体成分干扰，可同时对多种气体进行检测；具有极快的响应速度；测量过程中与气体无接触且不对待测气体产生影响；由于采用DFB激光器检测气体，可以有效抵抗腐蚀及电磁干扰，并且可以工作在人类无法靠近或接触的各种恶劣环境中。

本文主要从利用TDLAS技术对有毒、有害气体如二氧化硫、二氧化氮进行浓度检测出发，介绍了相关的研究背景、研究意义，将其他几种气体浓度检测方法与基于TDLAS的浓度检测方法进行比较，后者表现出巨大的优越性；接着介绍了测量原理，提出了适应不同情况的两种测量方法：直接法和谐波法；随后分别从气体吸收峰的选择、激光器的选择、温控电路设计、程控电流源设计等方面介绍了系统各组成部分具体方案设计，接着得出了大概的测量结果；最后对全文进行总结并对TDLAS技术的发展前景给予展望。

关键词：DFB激光器，TDLAS，二氧化硫，浓度检测，谐波法目录摘要......................................................................... 错误!未定义书签。

Abstract...................................................................... 错误!未定义书签。

目录 (I)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 常见的气体分析技术介绍 (2)1.2.1 化学分析法 (2)1.2.2 气相色谱法 (2)1.2.3 吸收光谱法 (3)1.2.4 可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术 (4)1.3 TDLAS技术国内外研究现状和发展趋势 (5)1.4 本文的主要工作 (6)第二章可调谐半导体激光吸收光谱技术 (7)2.1 检测原理 (7)2.2 气体吸收的两种情况 (8)2.3 吸收峰的锁定方法 (11)2.4 锁相放大技术 (14)第三章基于TDLAS的气体浓度检测系统设计 (15)3.1 系统总体设计 (15)3.2 系统具体方案设计 (15)3.2.1 气体吸收峰的选择 (15)3.2.2 激光器的选择 (17)3.2.3 激光器温控电路设计 (19)3.2.4 激光器程控电流源设计 (20)3.2.5 待测气体气室设计 (21)3.2.6 光电探测器的选择 (22)3.2.7 调理电路的设计 (23)3.3 装置及测量结果 (24)第四章结论和展望 (26)4.1 结论 (26)4.2 展望 (26)第一章绪论1.1 引言随着社会经济的的飞速发展，人们的生活条件显著提升，由此带来的环境问题也愈发严峻。

半导体探测器与气体探测器性能分析6

成都理工大学工程技术学院毕业论文半导体探测器与气体探测器性能分析作者姓名：孟庆彦专业名称：核工程与核技术指导教师：李泰华教授摘要辐射粒子探测器是粒子物理、核物理、放射性测量等领域研究的重要仪器，可以有效地保证财产和人身安全，而且广泛应用于国民经济和国防等多种领域。

气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器是近几十年来先后发展起来的三类主要探测器。

文中详细介绍了半导体探测器和气体探测器的原理，并对相关的设备仪器和放射源做了简短的介绍。

Si-PIN半导体探测器可以探测到55Fe衰变放射的X射线，气体探测器里面含有238Pu放射源，继续使用55Fe作为样品，会影响探测器的性能，因此使用锰粉和淀粉配置的样品代替，实验需要进行样品的研磨与压片。

分别使用探测器对X射线进行测量并用能谱仪分析能谱，主要研究两种探测器的相关性能，了解它们各自的能量分辨率及其使用范围，目的在于加强对两种探测器的能量分辨率的认识，给人们在以后的工作和学习中一个有益的指导。

关键词：半导体探测器气探测器能量分辨率AbstractRadiation particle detector is an important instrument of the research in the field of particle physics, nuclear physics, radioactivity measurements, can effectively ensure the property and personal safety, and are widely used in a variety of areas of the national economy and national defense. Gas, scintillation and semiconductor detectors have been developed three main types of detectors in recent decades.The principle of semiconductor detectors and gas detectors is described in this paper; a brief to the associated apparatus and radioactive sources is introduced. Si-PIN semiconductor detector can detect the X-ray radiation from55Fe,gas detectors contain 238Pu sources, so use 55Fe as a sample can affect the performance of the detector and use manganese powder and starch samples instead of them, the experiment need to grinding and tabletting sample. The X-ray were measured and analyzed by detector separately and spectrometer was analyzed by energy spectrum, mainly studies two kinds of relative performance, understand their energy resolution and its use range, the principal purpose is to enhance the understanding of the energy resolution of the two detectors, give people a useful guidance for future work and learning.Keywords:semiconductor detector, gas detectors, energy resolution目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)前言 (1)1探测器概述 (3)1.1探测器简介 (3)1.2辐射探测器发展历史 (3)1.3辐射探测器发展现状 (4)2半导体探测器 (5)2.1半导体探测器的基本原理 (5)2.2半导体探测器的仪器应用 (5)3气体探测器 (7)3.1气体探测器的基本原理 (7)3.2气体探测器的工作区间 (8)4实验方案设计 (10)4.1实验材料和仪器 (10)4.1.1 Si-PIN半导体探测器 (10)4.1.2充Xe（或充Ar）薄Be窗窗柱型侧窗正比计数管 (11)4.1.3 ADC4096多道γ能谱仪 (11)4.1.4多道分析仪 (11)4.1.5 238Pu (11)4.2实验方法 (12)4.2.1实验原理 (13)4.2.2样品的制备 (14)4.2.3测量 (14)5实验数据及处理 (16)5.1实验所得数据 (16)5.2数据处理及分析 (19)5.3结论 (21)总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)前言核辐射，或通常称之为放射性，存在于所有的物质之中，这是亿万年来存在的客观事实，是正常现象。

基于半导体激光器的气体传感器

需要调制激光器的波长
7
（1）改变结区温度，温度调制的范围大，精度低（2）注入电流，电流调制的范围小，精度高
8
下面，考虑电流注入：
(t ) 0 cos(t )
0为调制的中心频率，为频率调制幅度其中，
经过气体吸收后，输出光功率和输入光功率的关系符合Lambert-Beer定律：
0
（6）
可以看出：谐波幅度正比于线性函数 ( ) 的导数经过气体吸收后的光被光电探测器接收，利用锁相放大器可以提取出各次谐波的幅度：
Sn KsI0CLAn
其中：K 为放大器增益式（7）中只有被测气体的浓度 C 未知，说明通过检测谐波可以得到气体的浓度
（7）
10
发展现状
（1）国外采用TDLAS技术进行气体浓度检测的研究开始于80年代，国外对气体在线检测仪器研究和应用起步较早，基于TDLAS技术的气体检测仪已经在法国、美国、加拿大等国家研制成功，广泛用在痕量气体的检测，温室气体通量的监测等方面。
4
（4）具有极高的灵敏度
TDLAS检测部分气体的最小探测灵
敏度
注：ppm为百万分之一
5
半导体激光器
入射光
气体
出射光
该过程服从Lambert-Beer定律： I ( ) sI0 ( )exp( ( ) C L) 其中：
I ( ) 为透射光强度，即光电探测器接收的光功率 I 0 ( ) 为激光初始强度
基于半导体激光器的气体传感器
2011级物基一班戚宝侃
1
研究背景基本原理发展现状发展前景及存在问题
2
研究背景
环境污染日益严峻可燃气体泄漏引发不幸事故
1.气体传感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用，能够做到实时监测，及时预警，保障生命财产安全； 2.人类赖以生存的环境一直在遭受着严重的破坏，如何保护环境就需要建立环境监管机制，建设物联网成为必要，而气体传感器作为环境检测的必备传感器将有助于建设环境物联网。

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收稿日期:2008-12-01.基金项目:国家“973”计划项目(2006CB604903;国家自然科学基金项目(60876034;中国科学院计划项目(KGCX2-YW -121-2.动态综述基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展张晓钧1,2,张永刚1(11中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,上海200050;21中国科学院研究生院,北京100039摘要:介绍了半导体光声光谱气体检测的基本工作原理和相关技术,阐述了半导体激光光源特别是中红外半导体激光器的研究进展及其与光声光谱方法结合的应用现状,讨论了声信号的常用检测方法与改进方案,并展望了发展和应用的新方向。

关键词:半导体激光器;光声光谱;中红外;量子级联激光器;谐振中图分类号:O433.54文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200903-0326-07S emiconductor Laser B ased Photoacoustic Spectroscopy G as Detection Methods and Developm entsZHAN G Xiao 2jun 1,2,ZHAN G Y o ng 2gang 1(1.State K ey Laboratory of Functional Materials for Inform atics ,Shanghai Institute of Microsystem andI nformation T echnology ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai200050,CHN;2.G radu ate School ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100039,CHNAbstract :The operation principles of semico nductor laser based p hotoacoustic spectroscopy (PAS gas detection met hods and related technologies are reviewed.The develop ment s on semiconductor laser source especially t he mid 2inf raredsemiconductor laser for PAS are int roduced.The met hods and imp rovement s of acoustic signal detection are discussed ,and t he pro spect s of t he technique are predicted.K ey w ords :semiconductor laser ;p hotoacoustic spect roscopy ;mid 2infrared ;quant um cascade lasers ;resonance0引言气候变暖、大气环境污染等问题日益被人们关注,痕量气体检测技术为了解其起因和过程提供了有效途径。

通过测量痕量气体的浓度和随时间变化的情况以及它们的生成和分解速率,归纳总结它们的来源和演变规律,并预测发展趋势和后果,就可以为人们提供及时有效的各种控制方案。

碳、氮、硫的氧化物以及臭氧、氨和一些有机物气体分子(如甲烷、乙烯、丙烯等是目前的主要关注对象。

由于人们对环保和健康的要求提高以及环境变化的日趋复杂,传统的痕量气体检测方法已经很难适应各种新要求,因此迫切需要采用新方法和技术的高性能气体检测系统。

随着半导体激光器特别是中红外激光器和高灵敏声信号探测技术的发展与应用,光声光谱技术正蓬勃发展,并表现出高灵敏度、高选择性和相对简单、可小型和微型化等特点,受到人们的重视,可望广泛应用于大气环境监测、医疗诊断等诸多领域。

1历史回顾和基本原理传统的气体光谱检测技术基于气体对特定波长光的吸收,服从Beer 2Lambert 定律,通过直接测量气体样品的吸收光谱和吸收强度来决定气体的种类和浓度。

和常规的气体光谱技术不同,光声光谱方・623・法基于气体的光声效应,属于测热学技术的一种,通过测量特定波长的调制光被气体样品吸收后转化成的热能产生的疏密波信号进行检测。

1880年,Bell 首先报道了光声效应[122];Viegerov 完善了光声技术并完成首次气体光声光谱分析[3]。

Kerr 和Atwood 利用激光光声检测方法获得气体分子的吸收光谱[4]。

激光光谱的高亮度和锁相技术的改善能显著增强光声信号,这样也就能确定低浓度的空气污染物质。

其基本原理及装置示意图如图1和图2所示。

由图1可见,气体分子吸收特定波长调制光的光子跃迁到高能激发态,然后通过分子间碰撞以热的形式释放吸收到的能量,使气体受热并膨胀,从而产生疏密波(声波。

由于调制光具有周期性,气体的温度也就发生周期性变化,从而致使压力也周期性变化,这样就能产生能被灵敏麦克风探测的疏密波,疏密波频率与调制光频率相同,且常在声频,因此称为光声光谱方法。

麦克风探测到的光声电压信号S 可表示为S =S m PCα,其中C 是光声池常数(Pa ・cm/W ,P 是入射的光功率(W ,α是吸收系数(cm -1,S m 是麦克风的灵敏度(V/Pa 。

光声池常数C 与光声池的结构,测试条件和调制频率有关,具体关系是:C =(γ-1L Q/f 0V 。

其中L 是腔长,V 是腔的体积,γ是热容比,Q 是品质因子,f 0是谐振频率。

如果调制频率和光声池的谐振频率一致,光声信号就可以产生谐振增强效应。

品质因子Q 定义为Q =f 0/Δf 。

其中Δf 是谐振半峰宽,小半径纵向谐振腔的Q 值通常在10~50,球形腔的可以达到1000。

2半导体激光光源气体分子红外吸收光谱通常分为三个区域(见表1。

近红外区主要用于研究分子键的倍频或组频吸收,此区域的吸收峰强度一般较弱;中红外区主要研究气体分子的振动能级和振转能级跃迁,绝大多数气体的基频吸收都落在这一区域,吸收最强;远红外区主要用于研究气体分子的纯转动能级跃迁。

显而易见,气体检测最希望采用中红外波段的半导体激光光源。

表1红外区的分类区域波长/μm 近红外泛音区0.78~2中红外基本振动区2~25远红外转动区25~300对采用激光的气体吸收光谱测量(特别是定量测量的应用来说,理想光源应具有以下特性:(1有足够的光功率,以克服固有的电子检测噪声,确保较高的信噪比;(2窄线宽,以获得较高的选择性和灵敏度;(3弱自发辐射输出的单纵模工作,以获得高选择性和消除模间竞争的噪声;(4工作波长能快速调谐(增益介质和腔结构的优化设计,以覆盖理想的气体吸收光谱范围并适应快速响应和高速数据采集的要求;(5低噪声和低幅度波动,且较低的温度及电流微调率来减少驱动噪声引起的波长啁啾;(6输出长时间稳定的高质量光束,即光束发散小、象散小,光输出方向稳定且可预见,以实现最佳耦合进入并通过气体池;(7对环境条件诸如温度,压力,湿度和振动的变化不敏感;(8紧凑的结构和稳固的封装,器件多年高度可靠。

就目前而言,要完全实现这些理想要求,红外半导体激光源还存在诸多需要改进之处。

基于红外半导体激光光源的气体光声光谱检测系统的性能主要取决于激光光源的性能特征。

激光的激射光谱能否与被测痕量气体分子的吸收谱带重叠决定了所能探测物质的种类和数量,所以激光的激射波长和可调范围及其对应的光谱分辨率是首先・723・要考虑的。

由于光声信号正比于入射光功率,所以提高检出限,就需要高输出功率的激光光源。

和自由空间测量及激光雷达遥测技术不同,光声光谱检测一般需要把样品气体输入到检测气体池内或者要求检测系统能便携,而激光的调谐速度是系统响应时间的决定因素之一。

因此,半导体激光器的调谐性能和封装尺寸都是需要充分考虑的。

表2列出的是可供气体检测使用的常见红外半导体激光光源情况。

表2常见用于光声光谱检测的红外半导体激光光源激光光源大致波长范围/μm调谐特征功率工作条件光通信波段二极管激光器0.8~<2连续可调,<100nm1mW室温锑化物激光器2~5连续可调,10nm左右>10mW室温量子级联激光器3~>24连续可调,cm-1→>100cm-1mW→W室温2.1光通信波段的二极管激光器光纤通信的迅猛发展使相对低价、能室温工作且波长可调的高质量近红外二极管激光器获得了广泛应用。

这些激光器的波长都在0.8~2μm之间,主要处于气体吸收红外光谱的泛音区,就能和不少痕量气体的泛音吸收光谱匹配。

由于此类激光器的电流驱动源和温度控制器等辅助部件的性能不断提高,价格大大降低,工艺也不断改进,单模窄线宽的二极管激光器已日益广泛应用于气体检测。

通常这些激光器的功率都在1mW到10mW量级,但可以通过光纤放大等技术增强。

Besson等人利用光纤放大技术使一个1532nm激光器的输出功率为1815mW增强到750mW,采用PAS方法获得了3 pp b的N H3检出限[5]。

此类激光器具有效率高、体积小、寿命长的优点,但如果选用某些气体检测所需而非通信波长的二极管激光器,因需求量较小就导致价格较贵,其波长也只在吸收相对较弱的泛音区,与吸收强若干数量级的中红外区相比,提高气体检测灵敏度就比较困难。

2.2锑化物激光器从表1可看出,2~5μm波段处于中红外的基本振动区,包含很多气体分子的特征谱线,也包含非常重要的大气窗口。

锑化物的禁带宽度决定了锑化物激光器的波长范围可覆盖此波段,因此锑化物激光器也就成为痕量气体检测的一个重要光源选择。

我们开展了2μm波段锑化物激光器的研究[6],实现了多量子阱激光器在80℃下连续工作[7],并应用于N2O气体的吸收光谱检测[8210]。

2002年,Kania等人把低温致冷锑化物激光器引入气体PAS检测[11]。

Schilt等人把室温连续工作的2.37μm锑化物激光器(输出功率6~8mW应用于气体PAS,得到20pp m的甲烷检出限[12]。

Harko nen等人采用V ECSEL结构,已使2μm的锑化物激光器实现室温连续1W高功率工作[13]。

随着工艺改进,器件性能也将得到提高,就能更好满足气体光声光谱检测方面的应用要求。

2.3量子级联激光器痕量气体的基本振动吸收谱线一般都超过2μm,一些重要的基频吸收线在4μm 以外的中红外区域。

早期低温工作的铅盐激光器也开展了此波段气体检测研究,但铅盐激光器的功率不足mW且工作需液氮低温,这就限制了其应用。

中红外波段的量子级联激光器(Quant um Cascade Laser的发明[14],解决了多年来在此波段上一直缺乏性能良好的半导体激光器的瓶颈问题。