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筱曉光子 7.4um QCL 結(jié)合空芯光纖氣體吸收池分析系統(tǒng)
(實(shí)驗(yàn)分析空氣中 H2O 一氧化二氫水)

總覽

一、理論基礎(chǔ)

1、比爾-朗伯定律

一束激光穿過濃度為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，表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減

2、波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)

A) 激光器的調(diào)諧特性

DFB激光器由于具有良好的單色性，窄線寬特性和頻率調(diào)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(cè)系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度，因此被廣泛的用于氣體檢測(cè)

B) 諧波檢測(cè)理論

通過對(duì)激光器的驅(qū)動(dòng)電壓加高頻正弦電壓信號(hào)，從而改變電流，使輸出頻率也按正弦規(guī)律變化。通過給激光器驅(qū)動(dòng)加鋸齒波電壓，使其輸出波長(zhǎng)在氣體吸收峰兩側(cè)掃描，利用鎖相放大器調(diào)制并解調(diào)出諧波信號(hào)，進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量。

3、吸收譜線選取的原則

在進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，對(duì)吸收譜線的選取非常關(guān)鍵，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面

（1）氣體在選定的譜線處要有較強(qiáng)的吸收峰，

（2）譜線波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的激光器光源技術(shù)要相對(duì)成熟

（3）在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾，或吸收相對(duì)較弱，可以忽略

通用參數(shù)

實(shí)驗(yàn)儀器

1、7.4um低功耗臺(tái)式DFB-QCL中紅外量子聯(lián)激光器

QCL7400 - 7.4um低功耗臺(tái)式DFB-QCL中紅外量子聯(lián)激光器是筱曉2018上半年開發(fā)出的國(guó)內(nèi)臺(tái)低功耗的QCL DFB激光.超過100nm的可調(diào)諧范圍，輸出功率大于25mw滿足客戶測(cè)試氣體傳感等工業(yè)需求。

我們的激光器準(zhǔn)直輸出輸出功率穩(wěn)定，溫度波長(zhǎng)穩(wěn)定性高比傳統(tǒng)大功耗的量子聯(lián)激光器的穩(wěn)定性高出好幾個(gè)數(shù)量。為我們中紅外測(cè)試的客戶提供了佳的測(cè)試光源。

光譜圖

2、中空光纖式氣體吸收池

HC-5-FC-SMA中空光纖式氣體吸收池包括光學(xué)窗口、光纖端口和氣體端口。通過其中兩個(gè)模塊，您可以將中空光纖轉(zhuǎn)化為臺(tái)式氣體吸收池，用于吸收光譜或基準(zhǔn)波長(zhǎng)應(yīng)用，只需更換不同路徑長(zhǎng)度的光纖即可。

3、2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測(cè)器，帶放大，帶TEC

MCT-15-4TE放大探測(cè)器是一種熱電冷卻光電導(dǎo)HgCdTe(碲鎘汞，MCT)探測(cè)器。這種材料對(duì)2.0到15 μm的中紅外光譜波段光波敏感。半導(dǎo)體制冷片(TEC)采用一個(gè)熱敏電阻反饋電路對(duì)探測(cè)器元件的溫度控制在-30 °C，從而將熱變化對(duì)輸出信號(hào)的影響小化。為了獲得佳效果，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(cè)器是AC偶合的，因此它需要一個(gè)脈沖或斬波輸入信號(hào)。交流耦合探測(cè)器不會(huì)看到未斬波的直流信號(hào)，因?yàn)樗鼈儗?duì)只對(duì)強(qiáng)度變化而不是強(qiáng)度的值敏感。三、實(shí)驗(yàn)測(cè)試本次實(shí)驗(yàn)使用7.4um QCL激光器結(jié)合空心光纖氣體吸收池測(cè)試空氣中的H2O氣體。

系統(tǒng)示意圖

操作步驟：

1、安裝7.4umQCL激光器，準(zhǔn)直輸出到空芯光纖氣室的一端

2、空芯光纖氣室的另一端接入MCT探測(cè)器

3、用BNC轉(zhuǎn)SMA線連接探測(cè)器和7.4um QCL激光器的PREAMP置放大端

4、用一根BNC-BNC線連接示波器和7.4um QCL激光器的DACOUT模擬輸出端

5、用一根BNC-BNC線連接示波器和7.4um QCL激光器的TRIG OUT觸發(fā)端

6、打開激光器和探測(cè)器

7、調(diào)節(jié)軟件參數(shù)，在示波器上觀察二次諧波信號(hào)波形、幅值等信息

過程分析：

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，激光器發(fā)出的光經(jīng)過氣體吸收池，通過探測(cè)器進(jìn)入PREAMP端置放大電路，再經(jīng)過鎖相放大器調(diào)制解調(diào)，通過DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2，顯示二次諧波的信號(hào)。整個(gè)過程中，我們通過調(diào)節(jié)軟件中的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)觀察輸出波形，使輸出波形優(yōu)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、二次諧波波形及調(diào)制參數(shù)如下：

2、驗(yàn)證分析：通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)得到在波數(shù)為1354cm-1到1356cm-1范圍內(nèi)的吸收譜線如下：

吸收峰波長(zhǎng)約為7.381um，通過對(duì)比二次諧波幅值信息，與數(shù)據(jù)庫(kù)相符合，由此驗(yàn)證是H2O氣體。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)使用這套測(cè)試系統(tǒng)分析空氣中的H2O氣體時(shí)，二次諧波幅值可達(dá)872mV，說明這套測(cè)試系統(tǒng)精度很高。

產(chǎn)品清單：

#	名稱	描述	數(shù)量
1	7.4um中紅外量子聯(lián)激光器	峰值工作波長(zhǎng)7.4um，輸出功率5mW，光譜寬度<1MHz，輸出隔離度30dB，臺(tái)式規(guī)格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mm	1
2	中空光纖式氣體吸收池	其簡(jiǎn)單和穩(wěn)固的對(duì)齊方式，波長(zhǎng)范圍：紫外到長(zhǎng)波紅外，光程范圍：0.1至5m，低樣品量：<10mL，體積小巧；靈活布局	1
3	2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測(cè)器	響應(yīng)波長(zhǎng)范圍2-15um，光敏面大小2x2mm，工作帶寬10Hz-14MHz	1
4	U盤	含操作軟件，產(chǎn)品操作手冊(cè)	1