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      9.68um量子級聯激光器TDLAS測水分子系統 - 筱曉光子實驗分析① 2021-09-16


      一、TDLAS系統介紹 



      TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的簡稱,該技術主要是利用可調諧半導體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性實現對分子的單個或幾個距離很近很難分辨的吸收線進行測量,從而通過分析光被氣體的選擇性吸收特性,由吸收光譜反演獲得待測氣體濃度。

       二、QCL量子級聯激光器 


      量子級聯激光器(quantum cascade lasers, QCLs)是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件。不同于傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制,QCL受激輻射過程只有電子參與,激射波長的選擇可通過有源區的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現。


      中紅外量子級聯激光器(QCL)是一種性能優越的新型半導體激光器,具有寬波長范圍,體積小,單級型結構等優勢,隨著QCL的發展,QCL在氣體檢測、空間通訊、紅外對抗、太赫茲成像等方面有著很多重要的應用。


      我們的9.68um QCL量子級聯激光器臺式光源輸出功率高,超過100nm 的可調諧范圍,輸出功率大于 100mw 滿足客戶測試的工業需求。我們的激光器內置 Znse 準直鏡,輸出功率、溫度和波長穩定性極高。



      微信圖片_20210916092053.jpg





       光譜圖 


       
        三、QCL的TDLAS系統   

      很多氣體的特征吸收峰都在中紅外波段,如NO、CO、CO2、NH3、SO2、SO3等,如下圖:


      微信圖片_20210916092111.jpg


      所以基于QCL的氣體檢測系統是QCL最重要的應用之一,原理示意圖如下:


      微信圖片_20210916092128.jpg



       四、實驗測試 


      微信圖片_20210916092142.jpg




      連接步驟:

      1,9.68umQCL量子級聯激光器連接電源,USB線;  2,激光器準直輸出,對準5米氣室的激光輸入端;  3,5米氣室的激光輸出端對準接入MCT探測器;  4,MCT探測器的輸出連接激光器控制盒的前置放大端;  5,激光器控制盒的觸發端連接示波器通道1,模擬輸出端連接示波器通道2;  6,打開激光器,調節電流和溫度,通過調節軟件參數,在示波器上看水分子的二次諧波吸收譜線。  
       過程分析:

      通過軟件對溫度和電流進行精確控制。驅動電路提供低頻三角波掃描電壓,使激光器實現一定波長范圍的掃描,輸出波長覆蓋氣體的吸收峰。鎖相放大器提供高頻正弦調制信號,使激光器輸出頻率得到調制。


      激光器發出的光,經過準直透鏡變為準直光,進入到5米中紅外氣室,之后由光電探測器接收轉換為電流。再由前置放大器放大之后經過鎖相放大器解調輸出二次諧波信號,通過示波器我們可以觀察二次諧波信號。我們可以根據激光器的波長特性和氣體吸收譜線來確定氣體最高的吸收峰,并通過調制各項參數使二次諧波波形最優。


      根據9.68umQCL 的波長調諧曲線,我們通過查詢Hitran數據庫得到,在9.6834um處有一個吸收峰,如下圖所示:


      測試結果:


      微信圖片_20210916092202.jpg




       二次諧波幅值 


      微信圖片_20210916092218.jpg




       軟件參數界面 


       

      測試結論:

      我們的測試結果正好和數據庫相符合。而且在水分子的吸收強度約為1.2e-6這么弱的強度下,測得的二次諧波幅值為600mw,充分驗證了QCL量子級聯激光器在氣體檢測方面的高靈敏度和指紋特性。


       
        五、產品應用   
       1,NF3氣體測試分析  2,中紅外氣體分析  3,中紅外激光光源  微信圖片_20210916092235.jpg  
       
       




      NF3氣體吸收譜線 


       
        六、相關產品介紹   

      9.68umQCL

      (4-12umQCL可定制) 

      QCL9680-9.68um高功耗臺式DFB-QCL中紅外量子級聯激光器是筱曉開發出的中紅外測試激光光源,大氣窗口低損耗有利于空間光通訊測試研究。

      我們的臺式光源功率高,不需要ITAR審核,是目前商用中紅外測試光源的第一選擇。超過100nm的可調諧范圍,輸出功率大于100mw滿足客戶測試的工業需求。

      我們的激光器內置Znse準直鏡,輸出功率、溫度和波長穩定性極高,比傳統大功耗的量子級聯激光器的穩定性高出好幾個數量級。

      5米長光程小型化Mini中紅外氣體吸收池

      HC-5-MIR 5米長光程氣體吸收池可應用于光譜分析檢測,堅固,緊湊的氣室采用了中空光纖盤繞,其排列非常簡單。在中空纖維中,

      探測光束和分析物重疊,從而實現了靈敏的激光吸收光譜,并以最小的樣品量進行痕量氣體和同位素分析。

      中紅外5米光程簡波寬帶氣室

      LD-PD簡波寬帶氣室主要針對紅外傅里葉等光譜技術應用。氣室結構采用簡波氣室結構,探測光為中遠紅外非相干光源,

      針對高溫和耐腐蝕需要,以方便被測氣體的測量,開發了主體和光學組件均采用經過防腐蝕處理的特殊金屬材料,可以在濕熱腐蝕氣體條件下長期穩定可靠工作。

      2-12μm碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器

      MCT-12-4TE放大探測器是一種熱電冷卻光電導HgCdTe(碲鎘汞,MCT)探測器。這種材料對2.0到12 μm的中紅外光譜波段光波敏感。

      半導體制冷片(TEC)采用一個熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30 °C,從而將熱變化對輸出信號的影響最小化。


       













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