中紅外激光器在氣體分析領域的研究價值

更新時間：2022-02-22

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背景介紹

氣體檢測分子吸收

絕大多數(shù)氣態(tài)化學物質(zhì)在中紅外光譜區(qū)（≈2-25µm）都顯示出基本的振動吸收帶，這些基本帶對光的吸收提供了一種幾乎通用的檢測手段。光學技術(shù)的主要特征是對痕量氣體的非侵入式原位檢測能力。我們將主要討論連續(xù)波中紅外激光光譜以及中紅外光譜激光應用。目前中紅外激光在定量痕量氣體檢測中的應用必將代替近紅外成為下一代高精度的選擇。進入21世紀環(huán)境問題日益突出，各國政府都在在努力減少溫室氣體排放。二氧化碳（CO2）通常被稱為溫室氣體，但其他使環(huán)境惡化的氣體還包括二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）。此外，在氣體泄漏檢測和爆炸性氣體的集中監(jiān)控是預防災難中我們激光法可以采取有效報警措施從而可以避免風險于災難之前。

激光吸收光譜法是檢測微量氣體的方法之一。它使用分布式反饋激光二極管（DFB-LD）檢測某種氣體，該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長。由于氣體的光吸收在長波長區(qū)域變強，因此超過2000nm的近紅外至中紅外DFB-LD已經(jīng)用于氣體檢測。DFB-LD的光譜表征非常重要，因為該方法的測量能力受DFB-LD的邊模抑制比（SMSR）性能的很大影響。適用的模型是可以測量近紅外和/或中紅外光的光譜分析儀。它們提供的動態(tài)范圍足夠?qū)挘梢詼y量傳統(tǒng)分光鏡無法觀察到的50dB或更高的DFB-LD SMSR，這里我們不做贅述，下一期我們會專門討論。

圖1

空間通訊

中紅外激光可以在大氣中遠距離傳輸。中紅外還包含兩個主要的大氣傳輸窗口（3-5µm和8-12µm區(qū)域），其中大氣中主要成分的吸收非常低，如圖2所示。可以遠距離傳播，從而在國防和自由空間通信2中有多種應用。

圖2

筱曉光子可以提供的氣體檢測分子吸收激光器介紹

我們公司主要可以做以下QCL檢測氣體方案（每個波長年供應量500-1000pcs）：

Gas	CH4	CO2	CO	NO2		NO	SO2
Wavelenght(µm)	7.657	4.232	4.602	6.238	7.576	5.271	7.273	8.681
Gas	H2S	N2O		H2CO			NH3	SF6
Wavelenght(µm)	7.734	4.47	7.782	5.727	8.006	8.569	6.15	10.6

我們擁有中紅外半導體分析測試評估能力

光譜分析測試

以5.26um DFB-QCL激光器在25℃下的波長電流光譜圖測試為例：

黃線：150mA，5267.08nm；

紅線：165mA，5269.48nm；

綠線：180mA，5271.52nm；

粉線：195mA，5274.60nm；

藍線：210mA，5278.28nm。

光束質(zhì)量分析（5.26um DFB-QCL激光器在25℃）：

測試相機Pixel size=5μm，高斯擬合光斑直徑為320μm。

可以批量供貨的MIR-DFB的半導體激光器介紹

工作波長 (nm)	氣體類型	應用領域	供應能力
1814, 2270, 2670, 3420	Nitrogen oxides (NOX)	Environment, Health	1814/2270nm量產(chǎn) 2670,3420nm小批量驗證
1877, 2682	Water vapor (H2O)	Environment, Automotive, Process control	1877, 2682nm量產(chǎn)
2004, 2770	Carbon dioxide (CO2)	Environment, Automotive, Process control, Health	2004nm量產(chǎn) 2770nm暫無
2330, 2327	Carbon monoxide (CO)	Environment, Health, Process control, Safety	2330, 2327nm量產(chǎn)
3030	Acetylene (C2H2)	Health, Process control, Safety	3030nm小批量供貨
3270	Methane (CH4)	Environment, Health, Process control, Safety	3270nm小批量供貨
3560	Formaldehyde (CH2O)	Environment, Safety	3560nm小批量供貨

典型光譜圖

筱曉光子可以提供用于高功率空間通訊的激光器（3-5um,8-12um）

通訊波段QCL波長	4.0um	4.6um	9.0um	10.56um
最輸出功率	300mw	500mw	500mw	500mw

展望LWIR波段

目前受限于半導體工藝波長限制，如下很多長波的氣體我們目前還不好測試，但是我們相信隨著半導體芯片的研發(fā)深入，會有更多的氣體應用得到挖掘。

Examples of detectable gases

參考文獻：

1、J. Hecht, “Photonic Frontiers: Laser countermeasures: scaling down mid-IR laser countermeasures for smaller aircraft”, Laser focus world, 2014.

2、N. S. Prasad, “Optical communications in the mid-wave IR spectral band”. In: Free-space laser communications. Optical and fiber communications reports, 2005, vol 2, p. 347-391.

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