中紅外TDLAS N2O ppm級濃度分析系統 4.56um

一、原理描述

TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）它是利用激光器波長(cháng)調制通過(guò)被測氣體的特征吸收區，在二極管激光器與長(cháng)光程吸收池相結合的基礎上，發(fā)展起來(lái)的新的氣體檢測方法。
TDLAS技術(shù)采用的半導體激光光源的光譜，寬度遠小于氣體吸收譜線(xiàn)的展寬，得到單線(xiàn)吸收光譜，因此TDLAS技術(shù)是一種高分辨率吸收光譜技術(shù)。
一氧化二氮：又稱(chēng)笑氣，是一種無(wú)機物，化學(xué)式N2O，是一種危險化學(xué)品，呈無(wú)色有甜味氣體，是一種氧化劑，在一定條件下能支持燃燒，但在室溫下穩定，有輕微麻醉作用，并能致人發(fā)笑。笑氣進(jìn)入血液后會(huì )導致人體缺氧，長(cháng)期吸食可能引起高血壓、暈厥，甚至心臟病發(fā)作。此外，長(cháng)期接觸此類(lèi)氣體還可引起貧血以及中樞神經(jīng)系統損害等。

二、理論基礎

1、比爾-朗伯定律 一束激光穿過(guò)濃度為C的被測氣體時(shí)，當激光器的波長(cháng)和被測氣體某個(gè)吸收譜線(xiàn)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，表現為氣體吸收波段激光光強的衰減。
2、波長(cháng)調制光譜技術(shù) A) 激光器的調諧特性 DFB激光器由于具有良好的單色性，窄線(xiàn)寬特性和頻率調諧特性，DFB激光器能夠很好的避免其他背景氣體的交叉干擾，使檢測系統具有較好的測量精度，因此被廣泛的用于氣體檢測。 B) 諧波檢測理論 通過(guò)對激光器的驅動(dòng)電壓加高頻正弦電壓信號，從而改變電流，使輸出頻率也按正弦規律變化。通過(guò)給激光器驅動(dòng)加鋸齒波電壓，使其輸出波長(cháng)在氣體吸收峰兩側掃描，利用鎖相放大器調制并解調出諧波信號，進(jìn)行氣體濃度的測量。
3、吸收譜線(xiàn)選取的原則 在進(jìn)行氣體檢測時(shí)，對吸收譜線(xiàn)的選取非常關(guān)鍵，應考慮以下幾個(gè)方面： （1）氣體在選定的譜線(xiàn)處要有較強的吸收峰； （2）譜線(xiàn)波長(cháng)對應的激光器光源技術(shù)要相對成熟； （3）在選定的吸收譜線(xiàn)處沒(méi)有背景氣體吸收的干擾，或吸收相對較弱，可以忽略。

三、實(shí)驗儀器

1、4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器

4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器是上海筱曉光子開(kāi)發(fā)的可調諧連續光激光器，波長(cháng)調諧范圍可達30nm，準直輸出功率高達180mW，能夠滿(mǎn)足氣體傳感分析測試、中紅外測試光源等條件。臺式DFB-QCL激光器模塊內部集成了數字激光驅動(dòng)、可調增益放大器、1f/2f數字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元，并可通過(guò)軟件控制調諧激光器的溫度和工作電流。我們的激光器準直輸出功率穩定，波長(cháng)穩定性好，是中紅外高功率優(yōu)秀測試光源。

 光譜圖 

 波長(cháng)調諧曲線(xiàn) 

2、2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測器，帶放大，帶TEC

MCT-15-4TE放大探測器是一種熱電冷卻光電導HgCdTe(碲鎘汞，MCT)探測器。這種材料對2.0到15 μm的中紅外光譜波段光波敏感。半導體制冷片(TEC)采用一個(gè)熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30 °C，從而將熱變化對輸出信號的影響Min化。為了獲得好的效果，我們推薦將輸出電纜(不附帶)與一個(gè)50歐姆的終端連接。由于探測器是AC偶合的，因此它需要一個(gè)脈沖或斬波輸入信號。交流耦合探測器不會(huì )看到未斬波的直流信號，因為它們只對強度變化而不是強度的jue對值敏感。

3、中紅外5米光程簡(jiǎn)波寬帶氣室   

LD-PD簡(jiǎn)波寬帶氣室主要針對紅外傅里葉等光譜技術(shù)應用。氣室結構采用簡(jiǎn)波氣室結構，探測光為中遠紅外非相干光源，針對高溫和耐腐蝕需要，以方便被測氣體的測量，開(kāi)發(fā)了主體和光學(xué)組件均采用經(jīng)過(guò)防腐蝕處理的特殊金屬材料，可以在濕熱腐蝕氣體條件下長(cháng)期穩定可靠工作，對包括SO2、NOx、VOCS、NH3、O2、CO、CO2、HCL、H2O等主要氣體成分做精確的測量和分析，在包括主要大氣污染物監測、燃燒煤煙氣排放監控、垃圾焚燒排放監控、化工園區污染物監測以及工業(yè)在線(xiàn)控制等領(lǐng)域有廣泛應用前景。

四、實(shí)驗測試

本次實(shí)驗使用4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器結合MCT中紅外光電探測器測試中紅外5米光程簡(jiǎn)波寬帶氣室中的N2O氣體（1000ppm）。

 系統示意圖 

操作步驟：

1、 安裝4.56um QCL激光器，準直輸出到中紅外5米光程簡(jiǎn)波寬帶氣室；  

 2、 中紅外5米光程簡(jiǎn)波寬帶氣室另一端放置MCT探測器；

3、 將MCT探測器BNC輸出端接到4.56um QCL激光器的PREAMP前置放大端；

4、 用一根SMA-BNC線(xiàn)連接示波器和4.56um QCL激光器的DACOUT模擬輸出端；

5、 用一根SMA-BNC線(xiàn)連接示波器和4.56um QCL激光器的TRIG OUT觸發(fā)端；

6、 打開(kāi)激光器和探測器；

7、 調節軟件參數，在示波器上觀(guān)察二次諧波信號波形、幅值等信息。

過(guò)程分析：

利用電腦端的控制軟件調節電流和溫度的大小對波長(cháng)進(jìn)行調諧，使激光器實(shí)現一定波長(cháng)范圍的掃描，使輸出波長(cháng)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，激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣體吸收池，通過(guò)探測器進(jìn)入PREAMP端前置放大電路，再經(jīng)過(guò)鎖相放大器調制解調，通過(guò)DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2，顯示二次諧波的信號。整個(gè)過(guò)程中，我們通過(guò)調節軟件中的各項參數，同時(shí)觀(guān)察輸出波形，使輸出波形優(yōu)。

五、實(shí)驗結果

1、二次諧波波形及調制參數如下：

 二次諧波 

 軟件參數設置 

2、驗證分析：

通過(guò)查詢(xún)Hitran數據庫得到在波數為2188.8cm-1到2189.8cm-1范圍內的吸收譜線(xiàn)如下：