基于量子级联激光器的甲烷吸收谱

发布时间：2021-01-23 20:44

　　基于激光光谱法的甲烷检测技术因具有检测速度快、选择性强和检测灵敏度高等优点而被广泛研究。然而,该技术的性能受到激光器的调谐速率、系统光路、光电流采样率和驱动电流幅度等众多因素的影响。为提高甲烷光谱分辨率和检测灵敏度这两项关键指标,通过采用7.6μm量子级联激光器和碲镉汞光电探测器,以及设计脉冲电流驱动器和防反射气池,搭建了一套甲烷吸收谱测量系统。通过脉内扫描光谱法,同时监控驱动电流和光电流脉冲信号,得到了最佳激光器驱动电流,测得甲烷光谱分辨率为9.56×10^-3 cm^-1,该结果为本条件下器件的理论极限;采用平均滤波和降噪算法来提高检测灵敏度,并对不同体积分数的甲烷进行标定,得到0.14 s检测时间下的最低检测限为3.2×10^-11 m/■,该指标具有较大的先进性。 

【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(12)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

吸收谱测量系统原理框图

本文采用的是波长为7.6μm的分布式反馈（DFB）量子级联激光器，其管芯尺寸为1 mm×2 mm×0.1 mm，采用导热胶将激光器连同激光器热沉一并粘在半导体制冷片（TEC）的致冷面进行精确控温，将负温度系数（NTC）热敏电阻粘到TEC致冷面用于测温，并将TEC的另一面紧贴于激光器封装外壳上，用于散热。所封装的激光器如图2所示，左侧是DFB激光器管芯和载体，右侧是采用14引脚蝶形管壳封装后的激光器。在激光器出光口处放置一直径4 mm、厚度0.5 mm的氟化钙窗片，对激光器进行充氮气密封。由于量子级联激光器的发散角较大，在激光器的输出端口上需放置准直透镜，并依据激光器的发散角来确定透镜直径，依据焦距来确定激光器与透镜之间的距离。本系统采用硒化锌双凸透镜来进行光路的准直，并采用相同的透镜将经过气池之后的光线汇聚到光电检测器上。此外，在激光吸收谱测试过程中，反射光不仅影响系统性能，也影响激光器本身，因此，需要针对特定波长对透镜镀增透膜，镀增透膜之后的透镜在8～10μm波长内平均反射率小于1.5%，在波长7.6μm处反射率也很低。

在吸收谱测量系统中，光路的反射和干涉会引入噪声，并耦合到光电流信号中，影响检测灵敏度[7]。目前常规气池的出入口窗片相互平行，本系统为减小光路干扰，采用不锈钢材质，设计了一款45°入射角且两窗片不平行的气池，在气池两端采用镀有增透膜的CaF2窗片进行密封，并在气池两侧分别开进出气孔，用于气体进出。气池结构图如图3所示。1.3 电路控制设计与选用

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术[J]. 余兆安,姚志宏,梁圣法,张锦川,吕铁良.  红外与激光工程. 2016(02)
[2]脉冲量子级联激光器吸收谱扫描方法[J]. 余兆安,姚志宏,冯雪,梁圣法,吕铁良.  微纳电子技术. 2015(07)
[3]中红外量子级联激光器的研究进展[J]. 彭英才,赵新为,尚勇.  微纳电子技术. 2007(09)
[4]GaAs基量子级联激光器材料结构设计的进展[J]. 刘俊岐,刘峰奇,车晓玲,黄秀颀,雷文,王占国.  微纳电子技术. 2004(08)



本文编号：2995895