基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度二氧化氮传感器研究_刘锟
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[11-19]。例如，Rafal Lewicki 等人报道了用法拉第磁旋转光谱技术高灵敏度探测一氧化
氮，并应用于 2008 年的北京奥运会，其探测灵敏度达到了 4 ppbv（4*10 体积比）[16]； 赵卫雄等人采用法拉第磁旋转光谱技术实现了 OH 自由基的高灵敏度探测[17]。 法拉第磁旋转光谱利用的是分子吸收线在磁场的作用下产生 Zeeman 分裂而引起的磁致 双折射效应。当顺磁性分子处于纵向的磁场中时，分子的跃迁由于 Zeeman 效应而分裂为
300 Magnetic field, Guass 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Current, A
图 3 磁场强度与螺旋线圈电流间的关系 Fiure 3 Amplitude of magnetic field as a function of driven current of the solenoid
基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器结构框图如图 1 所示， 其中光学元件部分放置 在一块 24 英寸长 18 英寸宽的光学平台上， 这保证了传感器在外场测量过程中能够很容易的 搬运。 系统所用的光源为室温连续可调的高性能外腔量子级联激光器， 该量子级联激光器由 -1 一个激光控制器控制。激光器的稳定由水冷控制器控制在 18℃。该激光器在波长 1540 cm
-1 -1 -1
到
1650 cm 间单模连续可调。这保证了激光输出波长覆盖了位于 1613.25 cm 的二氧化氮最 佳探测吸收线。 本论文详细介绍了基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度、 高选择性的二氧化氮 传感器的建立、系统性能的测试和外场实际大气二氧化氮的测量结果。
2
基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器设计
175 150 125 100 75 50 25 0 1550 1575 1600 1625 1650 1675
Power, mW
Wave number, cm
-1
图 2 外腔量子级联激光输出功率特性 Figure 2 Power of external cavity quantum cascade laser as function of wavelength
1
简介
二氧化氮和二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳一样，是大气中的主要污染物之一。二氧化
碳主要来源于石化燃料的燃烧过程，如机动车排放、发电厂和工业排放等。生物燃烧、闪电 和土壤微生物过程也会产生一定数量的二氧化氮[1]。研究观测表明，二氧化氮参与光化学 烟雾和酸雨的形成， 严重危害人类健康和大气环境。 二氧化氮在对流层大气化学反应中也起 着重要的作用，在大气化学反应过程中会产生臭氧。另外，二氧化氮通过直接或间接的影响 地球辐射平衡而影响全球气候变化[2-4]。 所以高灵敏度探测大气二氧化氮对研究大气环境、 气候变化和大气物理化学过程有着重要的科学意义。 目前常用的探测大气二氧化氮的传统方法主要是基于化学发光的方法， 然而这些方法有 一定的局限性，如响应速度慢、难于区分一氧化氮和二氧化氮等。基于红外吸收光谱的方法 是选择性探测大气痕量气体的有效方法，这种方法具有响应快、灵敏度高、能够实时在线非 破坏性测量等优点[5]。基于红外吸收光谱探测痕量气体的技术主要包括直接吸收光谱、光 声光谱、石英谐振增强型光声光谱、腔衰荡光谱和腔增强吸收光谱等 [5-12]。采用红外且无其他分子干 扰的探测分子吸收谱线，尤其是要避免水汽和二氧化碳的干扰。二氧化氮在 V3 带有很强的
*
Tel.: 086-551-5591534; Fax: 086-551-5591534; E-mail: xmgao@
吸收谱线， 从而利用激光吸收光谱很容易实现二氧化氮的高灵敏度探测。 水汽在这波段也有 很强的吸收线，因此用激光吸收光谱探测大气二氧化氮时容易受到水汽的干扰。然而，二氧 化氮是顺磁性分子， 因此实现高灵敏度、 高选择性探测大气二氧化氮的有效方法之一是采用 法拉第磁旋转光谱（Faraday Rotation Spectroscopy）技术，这种技术于 1980 年由诺贝尔 奖获得者 R. F. Curl 和 G. Litfin 等人首次报道[13]。相对于直接吸收光谱，法拉第磁旋 转光谱技术探测顺磁性分子具有更高的灵敏度和选择性。 在吸收光谱中的噪声主要是光源噪 声，探测器噪声和量子噪声。光源噪声主要来源于光源强度的波动，法拉第磁旋转光谱技术 的高灵敏度主要就是通过降低光源噪声实现的。 另外， 法拉第磁旋转光谱技术还具有不受非 顺磁性分子干扰的特点， 尤其是不受水汽和二氧化氮分子的干扰， 这大大提高了法拉第磁旋 转光谱技术探测大气顺磁性分子的选择性，如一氧化氮、二氧化氮、氧气和 OH 自由基等
基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度二氧化氮传感器研究
刘锟 ，高晓明 ，张为俊 ，Frank K. Tittel
1
1
1*
1
2
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室，合肥，230031
2
Rice University, ECE, 6100 Main St., Houston, TX 77005, USA
经过准直的量子级联激光输出光束经过契型的氟化钙（CaF2）分束器后分成两束光，分 别为主光路和参考光路。 主光路通过一个起偏器后进入主吸收池， 光在主吸收池内来回反射 45 次后出射并通过放置在主吸收池后与起偏器垂直的检偏器。其中起偏器用来维持入射到 主吸收池的光是水平偏振的， 而与起偏器垂直的检偏器用来测量由于二氧化氮的存在而引起 的光偏振面的偏转。主吸收池内的压力由一个 MKS 压力控制器控制在 30Torr。当主吸收池 内有二氧化氮存在时， 在纵向磁场的作用下， 线偏振光与顺磁性分子二氧化氮作用后其偏振 面将发生法拉第旋转。经法拉第旋转的光通过检偏器后由热电冷却的中红外光电探测器探 测。由于磁场是变化的，所以经过检偏器后的光其强度就受到调制，用一个锁相放大器在 fm 处解调后就可得到法拉第磁旋转光谱信号。法拉第磁旋转光谱信号通过 National Instrument 的数据采集卡采集后由一个计算机进行存储和显示。对于较小的偏振面转动角， 法拉第磁旋转光谱信号和二氧化氮的浓度成正比关系， 因此通过标准气体标定后我们就可通 过法拉第磁旋转光谱信号得到二氧化氮的浓度。 参考光路作为参考通道用来控制外腔量子级联激光器的输出波长。 首先， 参考光路通过 一个 1/4 波片后变成圆偏振光， 然后进入充有压力为 25torr， 浓度为 1%二氧化氮的参考池。 在变化的轴向磁场中，由于磁性圆二色散，参考池内的参考光就受到 Zeeman 调制，通过参 考池的光用热电冷却的光电探测器探测后输入锁相放电器，并在 2fm 处进行解调，即二次谐 -1 、每个扫描周 波探测。激光波长在二氧化氮吸收线 1613.25 cm 处进行来回、周期性扫描， 期采集 500 个数据点，二次谐波的第一个峰值用于控制激光波长在设定的范围内。
摘
要
法拉第磁旋转光谱技术具有灵敏度高、零背景和不受水汽、二氧化碳等非顺磁性分子干扰等优点。因 、一氧化氮(NO)和 OH 自由基等， 此非常适合高灵敏度、高选择性探测大气顺磁性分子，如二氧化氮（NO2） 为研究大气中的顺磁性分子在大气物理化学、光化学反应和气候变化中的作用提供有效的测量手段。本论 文报道了基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度二氧化氮传感器装置的建立、系统性能优化、测试和实际大气 测量的研究工作。系统所用的光源为最新外腔量子级联激光器，此激光器的波长在 1600 cm
-1
到 1650 cm-1
间连续可调，覆盖了 1613.2 cm-1 处的最佳二氧化氮（NO2）探测吸收线，对应此波长位置的激光器输出功率 为 135 mW。为了提高探测灵敏度，系统中采用了一个光学多通池，其物理长度为 22.5cm，光在吸收池里来 回反射 45 次后，其有效光程为 10.1 米。在多通池外围环绕了一个螺旋线圈，以便产生 200 高斯的磁场。
-9
M J 1 和 M J 1 的分量。这些分量分别吸收右圆偏振光和左圆偏振光，从而产生
磁致双折射效应。 线性偏振光可以看着是右圆偏振光和左圆偏振光的叠加， 所以当一个线偏 振光在纵向磁场中通过一段距离为 L 的顺磁性分子吸收池时， 由于磁致双折射效应， 它的偏 振面将产生角度为 nL / 的偏转。 n n R n L 是右圆偏振光和左圆偏振光间的折 射率差，其大小和顺磁性分子的浓度成正比。一般情况下，用变化的磁场调制 Zeeman 分裂 吸收线来产生法拉第磁旋转光谱信号。 这样就产生了变化的磁致双折射效应， 从而调制透射 光的偏振面。 因此在吸收池后放置一个偏振片后， 到达探测器的光就是受强度调制的光信号， 利用锁相放电器就可解调出法拉第磁旋转光谱信号。 当然， 在静态的磁场中调制激光的波长 也可以产生法拉第磁旋转光谱信号[15]。关于法拉第磁旋转光谱的更详细的理论分析，可参 考文献[13],[16],[17]和[20]。 激光吸收光谱应用于实际测量时需要激光单频率输出、室温操作、可调谐和单模输出， 另外激光输出波长要与需要探测分子的吸收线匹配， 所以激光吸收光谱技术的发展强烈依赖 于激光技术的发展。近年来，随着量子级联激光制造工艺的发展，目前已能够得到商业化的 高功率、高品质、输出波长在中红外且连续可调的量子级联激光器，这使得发展高灵敏度、 高选择性、便携式的痕量气体传感器成为可能。 在本研究工作中， 建立了一套基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度、 高选择性的二氧化氮 传感器，传感器所用的光源为最新的外腔量子级联激光器，该激光器在波长 1600 cm
基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器设置了两个吸收池，分别为主吸收池和参考 池。主吸收池由一个光学多通池构成，用于探测二氧化氮；参考池内充有压力为 25Torr， 浓度为 1%的二氧化氮， 用于控制激光器的输出频率范围。 主吸收池的外围环绕有长度为 15cm 的螺旋线圈，用于产生磁场。在参考池的外围也环绕有一个螺旋线圈，也是用于产生磁场。 两个环绕于主吸收池和参考池的螺旋线圈加一个 1µF 电容组成了一个 SRL 震荡电路， 其共振 频率 fm = 1971 Hz。变化的交流磁场由函数发生器产生的正弦波信号经过音频放电器放大后 加到螺旋线圈产生，正弦波的频率等于 SRL 震荡电路的共振频率 fm 。图 3 给出了螺旋线圈
-12 ，能够实现实际大气 系统的响应时间为 1 秒，对二氧化氮的探测灵敏度达到了 100pptv（100*10 体积比）
二氧化氮的实时在线探测。此系统在美国休斯顿开展了为期 3 个多月的实际大气二氧化氮实时、连续不间 断的长时间测量，得到了很好的结果。测量期间，传感器自动、连续不间断运行，无人值守。传感器运行 状态可通过 internet 网络在世界任何有网络的地方进行观察和控制。 这些充分证明了所建立的法拉第磁旋 转光谱二氧化氮传感器的稳定性、可靠性和实用性。 关键词：法拉第磁旋转光谱，二氧化氮，外腔量子级联激光，大气分子探测，大气污染。
到 1700 cm 间可调，其中在 1600 cm 到 1650 cm 间单模、无跳模连续可调，覆盖了位于 -1 -1 1613.25 cm 的二氧化氮最佳探测吸收线，该激光器在波长 1613.25 cm 处的输出功率为 135mW。图 2 给出了所用外腔量子级联激光器的输出功率与输出波长间的关系，其中在波长 -1 1635 cm 处功率的显著下降是由水汽的强吸收引起的。
产生的磁场与螺旋线圈驱动电流间的特性曲线，其中螺旋线圈产生的磁场由一个高斯计(FW Bell 5180)测量得到。 主吸收池采用光学多通池，目的是提高光在吸收池内的有效光程，以提高探测灵敏度。 主吸收池所用的两个反射镜均为镀金膜的凹面镜，其外径为 2 英寸，焦距为 200mm，该反射 镜在 6 µm 处具有最大的反射率。主吸收池两个反射镜间的距离为 22.47cm，光在池内来回 反射 45 次，所以光在主吸收池内的有效光程为 10.1m。光在反射镜上的光斑分布如图 1 中 的右图所示。
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λ/ 4
图 1 基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器装置框图。右图给出了光在反射镜上的光斑分布 Figue 1 Schematic of the nitrogen dioxide (NO2) sensor based on Faraday Rotation Spectroscopy. The right part shows the distribution of beam spots on reflection mirrors.
氮，并应用于 2008 年的北京奥运会，其探测灵敏度达到了 4 ppbv（4*10 体积比）[16]； 赵卫雄等人采用法拉第磁旋转光谱技术实现了 OH 自由基的高灵敏度探测[17]。 法拉第磁旋转光谱利用的是分子吸收线在磁场的作用下产生 Zeeman 分裂而引起的磁致 双折射效应。当顺磁性分子处于纵向的磁场中时，分子的跃迁由于 Zeeman 效应而分裂为
300 Magnetic field, Guass 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Current, A
图 3 磁场强度与螺旋线圈电流间的关系 Fiure 3 Amplitude of magnetic field as a function of driven current of the solenoid
基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器结构框图如图 1 所示， 其中光学元件部分放置 在一块 24 英寸长 18 英寸宽的光学平台上， 这保证了传感器在外场测量过程中能够很容易的 搬运。 系统所用的光源为室温连续可调的高性能外腔量子级联激光器， 该量子级联激光器由 -1 一个激光控制器控制。激光器的稳定由水冷控制器控制在 18℃。该激光器在波长 1540 cm
-1 -1 -1
到
1650 cm 间单模连续可调。这保证了激光输出波长覆盖了位于 1613.25 cm 的二氧化氮最 佳探测吸收线。 本论文详细介绍了基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度、 高选择性的二氧化氮 传感器的建立、系统性能的测试和外场实际大气二氧化氮的测量结果。
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基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器设计
175 150 125 100 75 50 25 0 1550 1575 1600 1625 1650 1675
Power, mW
Wave number, cm
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图 2 外腔量子级联激光输出功率特性 Figure 2 Power of external cavity quantum cascade laser as function of wavelength
1
简介
二氧化氮和二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳一样，是大气中的主要污染物之一。二氧化
碳主要来源于石化燃料的燃烧过程，如机动车排放、发电厂和工业排放等。生物燃烧、闪电 和土壤微生物过程也会产生一定数量的二氧化氮[1]。研究观测表明，二氧化氮参与光化学 烟雾和酸雨的形成， 严重危害人类健康和大气环境。 二氧化氮在对流层大气化学反应中也起 着重要的作用，在大气化学反应过程中会产生臭氧。另外，二氧化氮通过直接或间接的影响 地球辐射平衡而影响全球气候变化[2-4]。 所以高灵敏度探测大气二氧化氮对研究大气环境、 气候变化和大气物理化学过程有着重要的科学意义。 目前常用的探测大气二氧化氮的传统方法主要是基于化学发光的方法， 然而这些方法有 一定的局限性，如响应速度慢、难于区分一氧化氮和二氧化氮等。基于红外吸收光谱的方法 是选择性探测大气痕量气体的有效方法，这种方法具有响应快、灵敏度高、能够实时在线非 破坏性测量等优点[5]。基于红外吸收光谱探测痕量气体的技术主要包括直接吸收光谱、光 声光谱、石英谐振增强型光声光谱、腔衰荡光谱和腔增强吸收光谱等 [5-12]。采用红外且无其他分子干 扰的探测分子吸收谱线，尤其是要避免水汽和二氧化碳的干扰。二氧化氮在 V3 带有很强的
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Tel.: 086-551-5591534; Fax: 086-551-5591534; E-mail: xmgao@
吸收谱线， 从而利用激光吸收光谱很容易实现二氧化氮的高灵敏度探测。 水汽在这波段也有 很强的吸收线，因此用激光吸收光谱探测大气二氧化氮时容易受到水汽的干扰。然而，二氧 化氮是顺磁性分子， 因此实现高灵敏度、 高选择性探测大气二氧化氮的有效方法之一是采用 法拉第磁旋转光谱（Faraday Rotation Spectroscopy）技术，这种技术于 1980 年由诺贝尔 奖获得者 R. F. Curl 和 G. Litfin 等人首次报道[13]。相对于直接吸收光谱，法拉第磁旋 转光谱技术探测顺磁性分子具有更高的灵敏度和选择性。 在吸收光谱中的噪声主要是光源噪 声，探测器噪声和量子噪声。光源噪声主要来源于光源强度的波动，法拉第磁旋转光谱技术 的高灵敏度主要就是通过降低光源噪声实现的。 另外， 法拉第磁旋转光谱技术还具有不受非 顺磁性分子干扰的特点， 尤其是不受水汽和二氧化氮分子的干扰， 这大大提高了法拉第磁旋 转光谱技术探测大气顺磁性分子的选择性，如一氧化氮、二氧化氮、氧气和 OH 自由基等
基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度二氧化氮传感器研究
刘锟 ，高晓明 ，张为俊 ，Frank K. Tittel
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1*
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中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室，合肥，230031
2
Rice University, ECE, 6100 Main St., Houston, TX 77005, USA
经过准直的量子级联激光输出光束经过契型的氟化钙（CaF2）分束器后分成两束光，分 别为主光路和参考光路。 主光路通过一个起偏器后进入主吸收池， 光在主吸收池内来回反射 45 次后出射并通过放置在主吸收池后与起偏器垂直的检偏器。其中起偏器用来维持入射到 主吸收池的光是水平偏振的， 而与起偏器垂直的检偏器用来测量由于二氧化氮的存在而引起 的光偏振面的偏转。主吸收池内的压力由一个 MKS 压力控制器控制在 30Torr。当主吸收池 内有二氧化氮存在时， 在纵向磁场的作用下， 线偏振光与顺磁性分子二氧化氮作用后其偏振 面将发生法拉第旋转。经法拉第旋转的光通过检偏器后由热电冷却的中红外光电探测器探 测。由于磁场是变化的，所以经过检偏器后的光其强度就受到调制，用一个锁相放大器在 fm 处解调后就可得到法拉第磁旋转光谱信号。法拉第磁旋转光谱信号通过 National Instrument 的数据采集卡采集后由一个计算机进行存储和显示。对于较小的偏振面转动角， 法拉第磁旋转光谱信号和二氧化氮的浓度成正比关系， 因此通过标准气体标定后我们就可通 过法拉第磁旋转光谱信号得到二氧化氮的浓度。 参考光路作为参考通道用来控制外腔量子级联激光器的输出波长。 首先， 参考光路通过 一个 1/4 波片后变成圆偏振光， 然后进入充有压力为 25torr， 浓度为 1%二氧化氮的参考池。 在变化的轴向磁场中，由于磁性圆二色散，参考池内的参考光就受到 Zeeman 调制，通过参 考池的光用热电冷却的光电探测器探测后输入锁相放电器，并在 2fm 处进行解调，即二次谐 -1 、每个扫描周 波探测。激光波长在二氧化氮吸收线 1613.25 cm 处进行来回、周期性扫描， 期采集 500 个数据点，二次谐波的第一个峰值用于控制激光波长在设定的范围内。
摘
要
法拉第磁旋转光谱技术具有灵敏度高、零背景和不受水汽、二氧化碳等非顺磁性分子干扰等优点。因 、一氧化氮(NO)和 OH 自由基等， 此非常适合高灵敏度、高选择性探测大气顺磁性分子，如二氧化氮（NO2） 为研究大气中的顺磁性分子在大气物理化学、光化学反应和气候变化中的作用提供有效的测量手段。本论 文报道了基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度二氧化氮传感器装置的建立、系统性能优化、测试和实际大气 测量的研究工作。系统所用的光源为最新外腔量子级联激光器，此激光器的波长在 1600 cm
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到 1650 cm-1
间连续可调，覆盖了 1613.2 cm-1 处的最佳二氧化氮（NO2）探测吸收线，对应此波长位置的激光器输出功率 为 135 mW。为了提高探测灵敏度，系统中采用了一个光学多通池，其物理长度为 22.5cm，光在吸收池里来 回反射 45 次后，其有效光程为 10.1 米。在多通池外围环绕了一个螺旋线圈，以便产生 200 高斯的磁场。
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M J 1 和 M J 1 的分量。这些分量分别吸收右圆偏振光和左圆偏振光，从而产生
磁致双折射效应。 线性偏振光可以看着是右圆偏振光和左圆偏振光的叠加， 所以当一个线偏 振光在纵向磁场中通过一段距离为 L 的顺磁性分子吸收池时， 由于磁致双折射效应， 它的偏 振面将产生角度为 nL / 的偏转。 n n R n L 是右圆偏振光和左圆偏振光间的折 射率差，其大小和顺磁性分子的浓度成正比。一般情况下，用变化的磁场调制 Zeeman 分裂 吸收线来产生法拉第磁旋转光谱信号。 这样就产生了变化的磁致双折射效应， 从而调制透射 光的偏振面。 因此在吸收池后放置一个偏振片后， 到达探测器的光就是受强度调制的光信号， 利用锁相放电器就可解调出法拉第磁旋转光谱信号。 当然， 在静态的磁场中调制激光的波长 也可以产生法拉第磁旋转光谱信号[15]。关于法拉第磁旋转光谱的更详细的理论分析，可参 考文献[13],[16],[17]和[20]。 激光吸收光谱应用于实际测量时需要激光单频率输出、室温操作、可调谐和单模输出， 另外激光输出波长要与需要探测分子的吸收线匹配， 所以激光吸收光谱技术的发展强烈依赖 于激光技术的发展。近年来，随着量子级联激光制造工艺的发展，目前已能够得到商业化的 高功率、高品质、输出波长在中红外且连续可调的量子级联激光器，这使得发展高灵敏度、 高选择性、便携式的痕量气体传感器成为可能。 在本研究工作中， 建立了一套基于法拉第磁旋转光谱的高灵敏度、 高选择性的二氧化氮 传感器，传感器所用的光源为最新的外腔量子级联激光器，该激光器在波长 1600 cm
基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器设置了两个吸收池，分别为主吸收池和参考 池。主吸收池由一个光学多通池构成，用于探测二氧化氮；参考池内充有压力为 25Torr， 浓度为 1%的二氧化氮， 用于控制激光器的输出频率范围。 主吸收池的外围环绕有长度为 15cm 的螺旋线圈，用于产生磁场。在参考池的外围也环绕有一个螺旋线圈，也是用于产生磁场。 两个环绕于主吸收池和参考池的螺旋线圈加一个 1µF 电容组成了一个 SRL 震荡电路， 其共振 频率 fm = 1971 Hz。变化的交流磁场由函数发生器产生的正弦波信号经过音频放电器放大后 加到螺旋线圈产生，正弦波的频率等于 SRL 震荡电路的共振频率 fm 。图 3 给出了螺旋线圈
-12 ，能够实现实际大气 系统的响应时间为 1 秒，对二氧化氮的探测灵敏度达到了 100pptv（100*10 体积比）
二氧化氮的实时在线探测。此系统在美国休斯顿开展了为期 3 个多月的实际大气二氧化氮实时、连续不间 断的长时间测量，得到了很好的结果。测量期间，传感器自动、连续不间断运行，无人值守。传感器运行 状态可通过 internet 网络在世界任何有网络的地方进行观察和控制。 这些充分证明了所建立的法拉第磁旋 转光谱二氧化氮传感器的稳定性、可靠性和实用性。 关键词：法拉第磁旋转光谱，二氧化氮，外腔量子级联激光，大气分子探测，大气污染。
到 1700 cm 间可调，其中在 1600 cm 到 1650 cm 间单模、无跳模连续可调，覆盖了位于 -1 -1 1613.25 cm 的二氧化氮最佳探测吸收线，该激光器在波长 1613.25 cm 处的输出功率为 135mW。图 2 给出了所用外腔量子级联激光器的输出功率与输出波长间的关系，其中在波长 -1 1635 cm 处功率的显著下降是由水汽的强吸收引起的。
产生的磁场与螺旋线圈驱动电流间的特性曲线，其中螺旋线圈产生的磁场由一个高斯计(FW Bell 5180)测量得到。 主吸收池采用光学多通池，目的是提高光在吸收池内的有效光程，以提高探测灵敏度。 主吸收池所用的两个反射镜均为镀金膜的凹面镜，其外径为 2 英寸，焦距为 200mm，该反射 镜在 6 µm 处具有最大的反射率。主吸收池两个反射镜间的距离为 22.47cm，光在池内来回 反射 45 次，所以光在主吸收池内的有效光程为 10.1m。光在反射镜上的光斑分布如图 1 中 的右图所示。
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图 1 基于法拉第磁旋转光谱的二氧化氮传感器装置框图。右图给出了光在反射镜上的光斑分布 Figue 1 Schematic of the nitrogen dioxide (NO2) sensor based on Faraday Rotation Spectroscopy. The right part shows the distribution of beam spots on reflection mirrors.