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中紅外激光器在氣體分析領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值

更新時(shí)間：2022-02-22      點(diǎn)擊次數(shù)：1200

背景介紹

氣體檢測(cè)分子吸收

 

絕大多數(shù)氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)在中紅外光譜區(qū)（≈2-25µm）都顯示出基本的振動(dòng)吸收帶，這些基本帶對(duì)光的吸收提供了一種幾乎通用的檢測(cè)手段。光學(xué)技術(shù)的主要特征是對(duì)痕量氣體的非侵入式原位檢測(cè)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(yīng)用。目前中紅外激光在定量痕量氣體檢測(cè)中的應(yīng)用必將代替近紅外成為下一代高精度的選擇。進(jìn)入21世紀(jì)環(huán)境問(wèn)題日益突出，各國(guó)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(cè)和爆炸性氣體的集中監(jiān)控是預(yù)防災(zāi)難中我們激光法可以采取有效報(bào)警措施從而可以避免風(fēng)險(xiǎn)于災(zāi)難之前。

 

激光吸收光譜法是檢測(cè)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(cè)某種氣體，該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長(zhǎng)。由于氣體的光吸收在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域變強(qiáng)，因此超過(guò)2000nm的近紅外至中紅外DFB-LD已經(jīng)用于氣體檢測(cè)。DFB-LD的光譜表征非常重要，因?yàn)樵摲椒ǖ臏y(cè)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(cè)量近紅外和/或中紅外光的光譜分析儀。它們提供的動(dòng)態(tài)范圍足夠?qū)?，可以測(cè)量傳統(tǒng)分光鏡無(wú)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(huì)專門(mén)討論。

 

圖1 

 

 

 

空間通訊

 

中紅外激光可以在大氣中遠(yuǎn)距離傳輸。中紅外還包含兩個(gè)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(yuǎn)距離傳播，從而在國(guó)防和自由空間通信2中有多種應(yīng)用。

 

 

 

 

 

 

 圖2 

 

 

 


筱曉光子可以提供的氣體檢測(cè)分子吸收激光器介紹

我們公司主要可以做以下QCL檢測(cè)氣體方案（每個(gè)波長(zhǎng)年供應(yīng)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(dǎo)體分析測(cè)試評(píng)估能力

光譜分析測(cè)試

 

 


以5.26um DFB-QCL激光器在25℃下的波長(zhǎng)電流光譜圖測(cè)試為例：

 

 

 

 

黃線：150mA，5267.08nm；

 

 

 

紅線：165mA，5269.48nm；
綠線：180mA，5271.52nm；
粉線：195mA，5274.60nm；
藍(lán)線：210mA，5278.28nm。

 

 

光束質(zhì)量分析（5.26um DFB-QCL激光器在25℃）：

 

 

 

測(cè)試相機(jī)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(dǎo)體激光器介紹

 

 

工作波長(zhǎng) (nm) 氣體類型 應(yīng)用領(lǐng)域 供應(yīng)能力
1814, 2270, 2670, 3420 Nitrogen oxides (NOX) Environment, Health

1814/2270nm量產(chǎn)

2670,3420nm小批量驗(yàn)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(wú)
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(zhǎng) 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(dǎo)體工藝波長(zhǎng)限制，如下很多長(zhǎng)波的氣體我們目前還不好測(cè)試，但是我們相信隨著半導(dǎo)體芯片的研發(fā)深入，會(huì)有更多的氣體應(yīng)用得到挖掘。


Examples of detectable gases

 

 

 

 

 

 

 

 

參考文獻(xiàn)：

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.