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應用案例 | 基于4.5 μm量子級聯激光器的開放光路 N2O氣體檢測系統研究
近日，來自山東師范大學的研究團隊發表了《基于4.5 μm量子級聯激光器的開放光路N2O氣體檢測系統研究》的研究成果。
項目背景
溫室氣體(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面臨著很大的威脅。一氧化二氮（N2O）是全球六大GHG之一，相較于人們熟知的二氧化碳（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重要的。
N2O氣體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，將其與激光吸收光譜技術相結合，可以實現對氣體的高分辨率、高靈敏度探測，被廣泛應用于氣體遙感探測領域。目前，結合激光吸收光譜技術及緊湊型多通道氣室（MGC），可實現對氣體分子的快速響應，并達到較低的檢測限，但系統為封閉式光學路徑，限制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范圍。因此，開放式光學路徑的設計，對于戶外大范圍環境中氣體濃度的實時檢測是十分必要的。
系統搭建
寧波海爾欣光電科技有限公司為該項目提供了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 前置放大制冷一體型碲鎘汞（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范圍是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1，最大輸出光功率可達 50 mW。 為了充分發揮 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，進而得到系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，分析發射波數與驅動電流的相關性，調節驅動電流大小，分析在300 mA至360 mA的電流變化范圍內，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：y = -0.0271x + 2212.972。
同理，對激光器發射波數與溫度的相關性進行分析，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?？梢缘玫剑S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：y = -0.1716x + 2210.216。
綜上所述，根據所選用的N2O吸收譜線波數為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330 mA和36.0 °C。
HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞（MCT）光電探測器的感光面積為1×1 mm2，探測范圍較為廣泛，可達到 2μm-14μm，滿足本系統探測的需求。由于探測器接收到的回波信號較為微弱，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部設計有前置放大器，以便后續可直接進行諧波解調和濃度反演等數據處理，同時也對系統的設計進行了簡化。
結論與創新點：使用該檢測系統對大氣中 N2O 濃度進行實時檢測是可行的。
(1) 選用QCL作為發射光源。QCL 具有波長調諧范圍廣、輸出功率較高、并且可以在室溫條件下工作的出色性能。選取譜線位置為 2203.73 cm-1，能有效避免其他氣體的干
擾，實現對N2O氣體分子的高靈敏度檢測。
(2) 為了避免MGC在遠程或戶外的大范圍環境檢測研究中的限制性，選用離軸拋物面反射鏡和角反射鏡，搭建了開放式光學路徑的N2O氣體檢測系統。將大部分光學元件安裝在一個光學平臺上，實現了系統的緊湊、便攜特性，并滿足開放式、大范圍環境監測的需求。
(3) 經驗證，當積分時間為1s時，N2O檢測限為1.1 ppb，當積分時間延長至95 s時，系統達到檢測下限為0.14 ppb。結合實驗結果，表征了系統的高精確度、高靈敏度、低檢測限的性能，并且滿足對大氣環境中N2O濃度測量的標準。
張玉容，趙曰峰《基于4.5 μm量子級聯激光器的開放光路 N2O氣體檢測系統研究》