200910092865 基于量子级联激光器的红外光腔衰荡光谱痕量气体检测方法
基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测
光声光谱 （ ｈ ｔａｏ ｓｉ ｓ ｅｔｏｃｐ ，Ｐ ） ｐ ｏｏｃ ｕｔ ｐｃｒｓｏ ｙ Ａｓ 是基 于光声 ｃ 效应 的一种光谱 技术 。它测量 的是光能被气 体样 品吸收后转
（ Ｆ －ＣＬ 更是高灵敏痕量气体检测 的理想光 源［ Ｄ ＢＱ ） ¨ ，它可
收稿 日期 ：２ １— １０ ， ０ １１—３ 修订 日期 ： ０ ２０—４ ２ １ —２２
基金项 目：国家 自然科学基金重点项 目（０ ３ Ｏ １ 和国家 （ ６ ６ ７６ ３ ） ８ ３计划 ） 目（０ ７ 项 ２ ０ ＡＡ０ Ｚ ４ ，２０ ＡＡ ３ ４ ３ 资助 ３ ４６ ０９ ０ Ｚ０）
பைடு நூலகம்
关键词 甲烷 ；分布反馈 ；量子级联 激光器 ； 光声光 谱法 ； 痕量气体检 测 中图分类号 ： ５． ０６ ７ ３ 文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６￣．ｓｒ ０ ００ ９ （０ ２ ０— ２ １０ Ｏ ：１． ９４ ｉ ￣１０ —５ ３ ２ １ ） ５１ ５—４ ｓ
以利用气体 的特征吸收谱线对其进行精确分 析 ， 而排除其 从
第３ 卷， ５ ２ 第 期 ２ ０１２ 年 ５ 月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒＪＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
Ｖｏ． ２ Ｎｏ ５ ｐ １ ５ — ２ ４ １３ ， ． ， ｐ ２ １ １ ５ Ｍ ａ ，２ １ ｙ ０２
ｍ Ｄ ＢＱ Ｌ的光声光谱技术应用于 甲烷气体痕量检测 ， Ｆ － Ｃ 在
未使用长 光 程 多 次反 射 池 的情 况 下 ，得 到 了 １９ ｎ ｌ・ ８ ｍｏ
5.2μm量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测
5.2μm量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测周胜;韩艳玲;李斌成【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2016(036)012【摘要】高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数，气体中残余水汽含量即使是 ppbv量级也会对产品质量产生影响。
气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线，在该区域对水汽含量进行检测十分必要。
宽调谐范围、高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展，推动了该区域红外光谱检测技术的发展。
首次在中红外波段，采用5.2μm可调谐量子级联激光器，基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置，并开展了痕量水汽检测实验。
通过阿伦方差分析系统噪声水平，确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。
根据HITRAN数据库，模拟实验条件下1905~1925 cm-1范围内水汽的吸收截面，选取最佳的检测谱线位置。
在常压和室温下，对1918 cm-1附近的水汽吸收光谱进行测量，测定高纯氮气中的痕量水汽浓度，检测结果与标称值一致。
在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8 ppbv。
分析结果表明，中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。
%Trace moisture concentration in high-purity gases is an important parameter in semiconductor manufacturing because many manufacturing processes are sensitive to moisture even on the level of parts per billion by volume (ppbv).Detection of trace moisture in mid-infrared spectral region is beneficial due to more abundant and stronger spectral lines in this region.Re-cently,Quantum cascade lasers (QCLs)with high outputpower,narrow line-width,and high reliability have been developing rapidly and have become promising light sources for sensitive spectroscopic measurements.By employing a 5.2μm external-cavi-ty tunable quantum cascade laser,a continuous-wave cavity ring-down spectroscopy (CRDS)experimental setup is established and applied to detect trace moisture in high-purity nitrogen gas.In the experiment,the CRDS signal is averaged to improve the detection sensitivity,and the optimal averaging number is determined by Allan variance calculation to be 602.For trace moisture detection,the absorption cross-section of H2 O in the spectral range between 1 905 and 1 925 cm-1 is simulated according to the HITRAN database and the optimal detection spectral line ischosen.Detected at 1 918 cm-1 absorption line at 296 K temperature and 1 atm pressure,the measured moisture concentration is in good agreement with the nominal value,and the minimum detecta-ble moisture concentration of 24.8 ppbv is achieved when cavity mirrors with reflectance of 99.93% are used.The experimental results show that mid-infrared cavity ring-down spectroscopy technique has great potential in a wide variety of applications,such as industrial productioncontrol,environmental monitoring and health diagnosis,etc.【总页数】5页(P3848-3851,3852)【作者】周胜;韩艳玲;李斌成【作者单位】中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209;中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209; 电子科技大学光电信息学院，四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】O433.5【相关文献】1.光腔衰荡光谱技术及其在痕量气体分析中的应用 [J], 林宇巍2.基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测 [J], 曲哲超;李斌成;韩艳玲3.光腔衰荡光谱技术应用于痕量气体检测的研究进展 [J], 王晓华;王凯迪;余锦;贾慧民;貊泽强;王金舵;唐吉龙;方铉;魏志鹏4.光腔衰荡光谱技术测定大气水汽稳定同位素校正方法研究 [J], 顾小琴;庞洪喜;李亚举;张王滨;王佳佳5.基于光腔衰荡光谱技术的痕量甲烷检测 [J], 宋绍漫;颜昌翔因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光腔衰荡光谱技术及其在痕量气体分析中的应用
（Ｃ ｉａＮ ｔ ｎｌ ｈｍｉ ｎｕｔａ Ｇ ｓ ｕ ｌｙＳ ｐｒｉ ｎａｄＩｓｅｔ ｅｔｒＦ ｚｏ ５ ０ ５ Ｃ ｎ ｈｎ ａ ｏａ Ｃ ｅ ｃ Ｉｄｓ ｉ ａ ａｔ ｕ ｅｖ ｏ ｎ ｐｃｏ Ｃ ｎｅ，ｕｈｕ３０ ２ ， ｈ ａ） ｉ ｌ ａ ｒ ｌ Ｑ ｉ ｓ ｎ ｎ ｉ
第２ ９卷第 １期 ２ １ 年 ２月 ０１
低 温 与 特 气
Ｌ ｗ Ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｐ ｃ ａｔ ｓ ｓ ｏ ｅ ｅ ｕ ｅ ａ ｄ Ｓ ｅ ｉｌ Ｇａ ｅ ａ ｙ
Ｖ Ｌ２ ｏ ９， Ｎｏ １ ． Ｆ ｂ ，２ １ ｅ． ０ １
光腔衰荡光谱技术及其在痕量气体分析 中的应用
展 ，Ｃ Ｄ Ｒ Ｓ技 术 已成 为 分 析各 种 微 量 或痕 量 物 质 强 有 力 的工 具 ，被广 泛应 用 于生 物 、化学 、物理 及地 球 和环境 科学研 究 中 。 本 文 在介 绍 Ｃ Ｄ Ｒ Ｓ技 术 的 原 理 和 特 点 的 基 础 上 ， 国内外 Ｃ Ｄ 技术在气体微量组分分析上 的 对 ＲＳ 应用进行 概 述 。
弱 ， 侧高 反射镜 后 的探 测 器可探 测 到 透射 光 强随 右
时 间 的变化 。
—
ｌｌｓ ｒ Ｉ￣ ，２
图１ ＣＤ Ｒ Ｓ技 术 的 工 作 原 理
Ｆ ｇ １ Ｏｐ ｒ ｔ ｇ ｐ ｎ ｉｌ ｆＣＲ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ． ｅ ａｉ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ＤＳ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｉ
林 宇巍
（国家化学工业气 体产品质量监督检验 中Байду номын сангаас ，福建 福州 ３０ ２ ） ５０ ５
摘 要 ：光腔 衰荡光谱 （ Ｒ Ｓ Ｃ Ｄ ）技术是一种新兴的高灵敏度吸收光谱检测技术。在介绍光腔衰荡光谱 检测原理 和
ppb级基于量子级联激光器光声光谱技术痕量气体检测仪
Aerovia基于量子级联激光器光声光谱技术痕量气体检测仪与竞争产品比较一，Aerovia：1，利用量子级联激光器测试气体的饱和吸收线：-在一般情况下，原子处于能量最低状态（最稳定态），称为基态（ E 0 = 0）。
当原子吸收外界能量被激发时，其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上，原子的这种运动状态称为激发态。
处于激发态的原子很不稳定，大约在10-8~10-7s，便返回到基态（或较低能态），此时，原子若以电磁波的形式把能量释放出来，产生发射光谱。
-不同元素的原子从基态激发至第一激发态(或由第一激发态跃迁返回基态)时，吸收(或发射)的能量不同，因而各种元素的共振线不同而各有其特征性，所以这种共振线是元素的特征谱线。
对大多数元素来说，共振线也是元素最灵敏的谱线。
==》》测试更加准确（检测限高至少5个数量级）==》》能测试的范围大（ppb up to 10000ppm range），取决于激光器的贷款。
2，利用Microphone技术-Aerovia利用对应波长的激光器，激光器的功率非常高以允许很高的灵敏度和很短的反馈时间。
最终被记录的光声信号相对于不同气体的浓度是直接的成比例的。
-使用两个MICROPHONE,直接消除噪音和干扰。
==》》测试精确，没有干扰；==》》测试结果直接出；3，让气体通过设备，直接测试出结果。
可连续测试，只要有气体通过我们的设备，设备是开的，测试出只需10-15秒。
==》》测试速度快；==》》开放环境中使用，可连续测试，只要有气体通过我们的设备，设备是开的。
4，无机械部分，无需机械维护。
二，其他公司1，不是利用激光器测试，而是利用过滤器==》》无法产生高分辨率测量，因为测量气体的相互干扰（因为一个filter不可能把其他波长的光全部过滤掉）==》》测试的带宽小。
2，测试时，需要调节到对应一个filter上。
然后，再归位，调节测试去测另外一种气体。
如果测9种气体，最好情况下测试一种气体需要30秒，中间间隔需要5分钟。
基于连续波激光器衰荡腔吸收光谱的痕量气体探测方法
该测 量通常选择 连续波激光激发衰荡腔光谱测量方法是一 在离分子 吸收频率较远 的频段 ， 峰值频率 ｖ 和在 种基于吸 收光 谱先进的 ， 高度敏感的技术 ， 最普 处 的衰荡 时间。浓度 Ｎ可以从 下面的公式计算 遍 的重 要痕量物质的光锂检测方法。 ｝ 在气相中 ， 个物种 的光谱 由许 多尖锐的旋转线 （ 一种分 Ｒ ｍ ｎｎ 和 Ｌｈ ａｎ ｏ ａｉｉ ｅｍ ｎ 的计 算表 明 ， 衰荡 子 “ 纹”， 高选 择性 。大 多数 分子都在从 指 ） 提供 紫外到红外范 围 ， 以定量测量技术 的使用 连 腔 吸收池（ Ｄ ） 可 Ｒ ｃ 的可被 视为具有有效 的路径长 度 为 １Ｒ， 中 Ｒ是反射镜的反射率 。 一） 其 由于反 射镜反射 率市售今天在 ９． ９ 日 ９ ９％ ，有效 的吸收 ９ 比尔定律给出了气体分子的吸收关系 ： 池 光路径长度增加 了 １５ 相对于传统 的相 同 ０倍 ，） ＩＶｅ （ｃ） ＿ （＝ｏ ）ｘ 一（。 Ｌ ｖ （。ｐ ＶⅣ ） （ 物理尺寸吸收池。因此是 １－０ 公里 的吸收光 １ ） ０ １０ 其 中 Ｉ１ 频率 为 ｖ ｆ ｖ 是 的光通 过样 本后 的光 程长度在长度为一米 的吸收池中实现 。这可突 强度 ； 是光 未通过样 本的强度 ； Ｉ 是特定 分子 破了传统 的“ 多通 ” 吸收池 ， １－０ 米的有效 在 ０ １０ 吸收频率 为 ｖ 的光吸收截 面 ； Ｎ是他们 的粒子 路径长度是实际的限制。 数密度 ， 这是绝对浓 度成正 比， Ｌ 而 是光 通过样 在连续波激光激发衰荡腔光谱法发展 的早 激发源为一 纳秒量级脉 冲染料激光器日 。这 品 的路径 的长度。显然我们有 比尔 定律 可 以得 期 ， 出， 了最大 限度地提高灵敏度 ， 为 要选择 具有大 提供 了— 个方便 的在实验室光源 ，但不适用 于 的 吸收 截面的分子样本 ，以及尽可 能的最长 的 工业应用 的实 际。莱 曼发现连续激光源也可 以 路径长度为 Ｌ尽可能最小的（ ￣ 。 的吸 在激光激发衰 荡腔光谱法使 用罔 ， ＡＩ ／ 传统 Ｉ ｃ事实上 ， 从单 收光谱 法仪 器 的物理 尺寸 限制 了路径 长度 Ｌ 。 模式 的光 ，连续激光 器耦 合到衰荡腔 比脉 冲 您可 以通 过采 用 “ 多次通过 ”的气体 池 ，例如 激光器更有效和更具有选择 性。 Ｗｈｔ 或者 Ｈ ｎｏ￣ 的吸 收池 来增 加 １ ｉｍ ｅ ｅｉ ｔ ｔ式 ０到 在可见光到近红外光谱 区域 ，半导体激光 １０ 的的有效路 径长度 。测量 的灵敏度 和精 器由于它们在消费市场和电信的重要性而显得 ０倍 确度也受 限于光源 的噪声和检测系统 的噪声 。 特别先进 。这些激光 器在这个光谱范 围内探测 另一方面 ，连续波激光激发 衰荡腔光谱法 器可 以在室温下操 作。这些特 眭非常适合制作 是不受 激光噪声 （ ａ 的影 响因为他 只是测 仪器 ， Ａｉ￣ 易于操作和方 便 ， 能耗低 。 量 “ 间” 时 。连续波激光 激发衰荡腔光谱 法是一 ２实验 种新兴 的技术 ，已被证明可 以显著 的提高吸收 个典型 的实验 装置原理 图如 图 １ 所示Ｒ 。 光谱削 灵敏度 。 它利用—个稳定 的光源入射到两 的主要器件包 括 ： 。单模二 极管激光器 ， 腔 衰荡 个距离为 ｄ 的超高反射镜 中， 即衰荡腔中。 在一 （Ｄ ） Ｒ Ｃ ， 了高反射镜 ， 电探测器器配 对探 采用 光 Ｄ 其他组件包括一个声 光调制 次衰荡测 量中 ，部分激光从 窄带激 光器耦合到 测透过 Ｒ Ｃ的光 。 衰荡腔 中， 然后突然关 闭。 光在衰荡腔 的反射镜 器 （０ 当 Ｒ Ｃ内积聚足够 的光 时 ， 将腔 Ａ Ｍ） Ｄ 迅速 之 间反 射多次高很多倍 ， 每次反 射泄漏 出一小 内激光器 射出衰荡腔 ，光隔离器 以防止光 反馈 部分 。 光腔泄漏 出来是衰 荡信号 。 这个信 号具有 给二极 管激光 器 ，带有数据采集系统的计算机 个一 阶指数 衰减 的包络 。 控制整个系统 ， 且进行 数据采集 和分析 。 并
基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测
基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国【摘要】There have been considerable interests in methane detection based on infrared absorption spectroscopy for industrial and environment monitoring. The authors report on the realization of photoacoustic detection of methane (CH4) using mid-infrared distributed-feedback quantum cascade laser (DFB-QCL). The absorption line at 1 316. 83 cm-1 was selected for CH4 detection, which can be reached by the self-manufactured DFB-QCL source operating i n pulsed mode near 7. 6 μm at room-temperature. The CH4 gas is filled to a Helmholtz resonant photoacoustic cell, which was equipped with a commercial electret microphone. The DFB-QCL was operated at 234 Hz with an 80 mW optical peak power. A detection limit of 189 parts per billion in volume was derived when the signal-to-noise ratio equaled 1.%由于工业监控和环境检测的需要,甲烷气体检测日益得到人们的关注.研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术,并应用于痕量甲烷的检测.自主研发的DFB-QCL 室温工作时的激射波长在7.6μm附近,覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83 cm-1.待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中,DFB-QCL的工作频率为234 Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80 mW.中红外光经过甲烷吸收后,产生的声波信号经麦克风检测,由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理.按信噪比为1计算,得到甲烷的探测极限为189 nmol·mol-1.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】4页(P1251-1254)【关键词】甲烷;分布反馈;量子级联激光器;光声光谱法;痕量气体检测【作者】谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国【作者单位】中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;清华大学物理系,北京 100084;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083;中国科学院半导体研究所,半导体材料科学重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】O657.3甲烷是一种易燃易爆危险气体，是矿山开采、工业领域中爆炸事故的罪魁祸首。
脉冲式阵列量子级联激光器的气体检测仪
脉冲式阵列量子级联激光器的气体检测仪王昆;李明【摘要】为了能够对多种混合气体进行精确的识别和浓度测量,根据被检测气体的红外光谱的吸收特性,利用阵列式量子级联激光器设计了高精度的气体检测仪.在激光器驱动电源的设计上采用了时分复用的方法,通过高速脉冲控制和分段拟合的方法实现了对电源输出的精准控制.同时,对红外探测器输出的微弱信号进行处理,大大提高了测量精度.测试结果表明:驱动电流的最大偏差仅为0.65 mA,稳定度优于4×10-5 A,并对4种气体在10个浓度等级上进行了测试,最大平均测量误差仅为0.80％.%In order to be able to identify and measure the concentration of mixed gas,according to the absorption characteristics of infrared spectra of the detected gas, the high precision gas detection instrument is designed by array quantum cascade laser. The TDMA is used on the design of laser driving power supply, which realizes the precise control for the power output by means of high speed pulse control and piecewise fitting. Meanwhile,the weak signal from infrared detector is processed,which greatly improves the measurement accuracy. The test results show that the maximum deviation of drive current is only 0.65 mA,and the current stability is better than 4×10-5 A. The four kinds of gases are tested at ten concentration levels, and the maximum average measurement error is only 0.80％.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)003【总页数】5页(P781-785)【关键词】气体检测;量子级联激光器;红外吸收光谱;高精度驱动电源;微弱信号放大【作者】王昆;李明【作者单位】河南职业技术学院电气工程系,郑州450046;河南职业技术学院电气工程系,郑州450046【正文语种】中文【中图分类】TP271在火力发电、汽车尾气和化工生产的过程会排放出大量的CO、SO2、N2O和NO等有害气体,环境污染负荷逐年增加[1-2]。