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7.4um中紅外量子級聯(lián)激光器測甲烷濃度
一、甲烷特性：
甲烷是無色、無味、可燃和微毒的氣體。甲烷對空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。
甲烷和空氣按 適當(dāng)?shù)谋壤旌虾?，遇火花?huì)發(fā)生爆炸。甲烷在自然界中分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。
二、理論基礎(chǔ)：
1，朗伯比爾定律：一束激光穿過濃度為C的被測氣體時(shí)，當(dāng)激光器的波長和被測氣體某個(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級，表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減。
2，波長調(diào)制技術(shù)
是對波長的高頻調(diào)制并利用諧波檢測技術(shù)通過鎖相放大器獲得吸收光譜的諧波信號，根據(jù)諧波信號的峰值檢測氣體的濃度。
波長調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵是激光器的調(diào)諧波段的確定以及波長調(diào)諧特性，激光器的特性直接可以決定檢測氣體的種類以及檢測系統(tǒng)的精度和應(yīng)用領(lǐng)域。分電流調(diào)諧和溫度調(diào)諧。激光器的工作溫度的變化會(huì)引起峰值波長的漂移，對激光器輸出波長的影響遠(yuǎn)大于注入電流的影響。
2，諧波檢測理論
諧波信號的獲取是利用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)的，鎖相放大器zui核心的功能是對交變信號進(jìn)行相敏檢波，激光器由于受到高頻正弦調(diào)制，光束攜帶有正弦調(diào)制信號的頻率信息，由于二次諧波線型峰值在譜線的中心，關(guān)于譜線中心是對稱的。同時(shí)，在偶次諧波中，二次諧波譜線強(qiáng)度zui強(qiáng)，zui容易獲取，因此選用二次諧波來檢測氣體。
從鎖相放大器獲得的二次諧波峰值信號強(qiáng)度與待測氣體濃度成線性關(guān)系，所以我們可以利用二次諧波峰值強(qiáng)度來計(jì)算氣體濃度。另外二次諧波峰值強(qiáng)度還與待測氣體溫度，壓力有關(guān)，我們在測量氣體濃度時(shí)，還必須對氣體溫度，壓力進(jìn)行修正。通過波長調(diào)制，解調(diào)后的二次諧波理論圖形如下
二、7.4um中紅外量子級聯(lián)激光器:
QCL是當(dāng)今zui常用的中紅外（mid－IR）激光器
QCL7.4um低功耗臺(tái)式DFB-QCL中紅外量子級聯(lián)激光器是筱曉2018上半年開發(fā)出的國內(nèi)優(yōu)秀窄線寬超低功耗的QCL DFB激光器，具有下列優(yōu)勢：
■ 調(diào)諧范圍大7.35um-7.45um,
■ 輸出功率大于10mw,
■ 激光器準(zhǔn)直輸出，輸出功率穩(wěn)定
■ 窄線寬 3MHz，
■ 溫度波長穩(wěn)定性高比傳統(tǒng)大功耗的量子級聯(lián)激光器的穩(wěn)定性高出好幾個(gè)數(shù)量級。
波長調(diào)諧特性如下圖：
③打開光譜儀，把ASE光源的光纖端口接入到光譜儀上，會(huì)看到圖2所示圖像：
三、實(shí)驗(yàn)儀器及連接
1、實(shí)驗(yàn)儀器：
■ 7.4um中紅外量子級聯(lián)激光器
■ 中遠(yuǎn)紅外非球面透鏡
■ 甲烷氣體鋼瓶
■ 中紅外光電探測器
■ 簡波氣室
■ 示波器
2、連接示意圖
2.1中紅外量子級聯(lián)激光器連接USB與電源線，然后PREAMP端口連接光電探測 器，DAC OUT 端口連接示波器通道2作為輸入信號，TRIGGER端口連接示波器通道1作為觸發(fā)信號，
2.2給光電探測器插上電源，并打開電壓控制按鈕，
2.3量子級聯(lián)激光器出光處安裝非球面透鏡，光由高斯光束變?yōu)槠叫泄?，簡波氣室輸入窗口對?zhǔn)量子級聯(lián)激光器出光方向，輸出窗口對準(zhǔn)光電探測器，
2.4連接氣體鋼瓶與簡波氣室，并向簡波氣室內(nèi)充入少量甲烷氣體。
四、原理過程：
利用電腦端的控制軟件調(diào)節(jié)電流和溫度的大小對波長進(jìn)行調(diào)諧，使激光器實(shí)現(xiàn)一定波長范圍的掃描，使輸出波長覆蓋氣體的吸收峰，鎖相放大器提供高頻正弦調(diào)制信號，使激光器輸出頻率得到正弦調(diào)制，量子級聯(lián)激光器發(fā)出的光，經(jīng)過非球面透鏡變?yōu)槠叫泄?，進(jìn)入簡波氣室，經(jīng)過氣體吸收后由光電探測器接收，再經(jīng)過前置放大電路，利用鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)，輸出二次諧波信號，通過示波器顯示出來。得到幅值信息。
調(diào)試后二次諧波如下圖：
檢測未知濃度的氣體時(shí)，不同濃度的甲烷氣體，調(diào)制參數(shù)不變，二次諧波的幅值大小和濃度成線性關(guān)系，利用這種線性關(guān)系，就可推導(dǎo)出氣體濃度。
五、1653.7nmDFB 激光器和7.4um量子級聯(lián)激光器測甲烷濃度的比較
下表是通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫得到的甲烷在兩個(gè)波長附近處吸收強(qiáng)度的比較
下圖是二次諧波幅值的比較：
通過比較，我們看到，
（1）甲烷氣體在7.4um處有更強(qiáng)的吸收峰，
（2）甲烷氣體在7.4um處的二次諧波幅值是1653.7nm處的近10倍
結(jié)論：中紅外量子級聯(lián)激光器測氣體濃度的探測精度更高，探測下限更低。
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