Главная / Библиотека / Детектирование газов с применением квантово-каскадных лазеров

Детектирование газов с применением квантово-каскадных лазеров

Теги фотоакустическая спектроскопия  квантово-каскадный лазер alpes lasers
Детектирование газов с применением квантово-каскадных лазеров

Фотоакустическая спектроскопия (PAS) основана на фотоакустическом эффекте, в котором акустические волны являются результатом поглощения лазерного излучения исследуемым газовым соединением в специально разработанной ячейке. В отличие от других методов инфракрасного поглощения, PAS является методом косвенного измерения, в котором измеряется влияние излучения на поглощающую среду, а не прямое детектирование. Поглощение света приводит к вариациям температуры рабочей среды, которые затем преобразуются в изменения давления в поглощающей среде. Этот градиент давления может быть зафиксирован с помощью чувствительного микрофона. PAS идеально устраняет внешний фон, поскольку сигнал генерируется только поглощающим газом. Тем не менее, определенный фоновый сигнал может исходить от неселективного поглощения окон газовой ячейки (когерентный шум) и внешних акустических флуктуаций (некогерентный шум). Сигналы PAS пропорциональны интенсивности лазерной накачки и, следовательно, PAS является наиболее эффективной методикой при мощном лазерном возбуждении.

В статье описывается работа прототипа системы зондирования газов на фотоакустическом эффекте, использующего QCL лазер Alpes Lasers в качестве источника излучения. Конфигурация прототипа основана на принципе максимизации простоты эксплуатации при сохранении разумной чувствительности. К сожалению, излучение QCL лазера подвержено сильной расходимости, что препятствует возможности эффективного возбуждения продольных мод. Чтобы адаптировать конструкцию детектора к сильно расходящимся пучкам, было решено разработать конструкцию по типу резонатора Гельмгольца.

Применение квантово-каскадных лазеров в зондировании газов-1

Рисунок 1. Схематический рисунок фотоакустической ячейки и экспериментальной установки.

Экспериментальная установка

На рис. 1 показана экспериментальная установка со схемой фотоакустической ячейки. Она состоит из камеры, соединенной через два канала диаметром 6 мм с другой камерой, содержащей чувствительный микрофон. Вторая камера вместе с соединительными каналами образуют резонатор Гельмгольца. Усиление звука достигается за счет колебаний объема газа внутри каналов в направлении слева направо. Эти колебания порождают периодическое сжатие и расширение газа, заключенного в камере. В момент резонанса это приводит к увеличению среднего давления внутри камеры по отношению к давлению в соединительных каналах.

В середине внешней стороны фотоакустической ячейки просверлено сквозное отверстие диаметром 500 мкм. Это низкочастотный акустический фильтр, ослабляющий окружающий шум, а также шум поглощения излучения в окне, которое закрывает ячейку. Частота среза этого фильтра была установлена на уровне 200 Гц, то есть значительно ниже резонансной частоты.

Применение квантово-каскадных лазеров в зондировании газов-2

Рисунок 2. Фотоакустический и шумовой спектры ячейки, измеренные с помощью анализатора спектра.

Принцип действия фотоакустического датчика заключается в следующем. Звуковая волна распространяется внутри первого объема, входит в соединительные каналы, вызывая вынужденные колебания давления, которые усиливаются резонатором Гельмгольца и фиксируются микрофоном. Фильтр нижних частот не влияет на генерируемую звуковую волну, поскольку она создается и распространяется внутри первой камеры. Такая конструкция ячейки позволяет эффективно увеличить отношение сигнал/шум. Кроме того, фотоакустическая ячейка особенно хорошо адаптируется к сильно расходящимся пучкам излучения - пучок с широкой апертурой будет возбуждать максимальный объем газа как в первой полости, так и непосредственно внутри каналов.

Для получения частотной характеристики газового датчика был использован многомодовый QCL лазер с резонатором Фабри–Перо на InGaAs матрице со спектральной полосой пропускания 30 см-1 и центральной длиной волны излучения 9,4 мкм. В качестве поглощающего газа использовались пары этанола. Схему оснастили систему охлаждения Пельтье. Ширина светового импульса достигала 80 нс, частота составляла 300 кГц при температуре 240 К. Лазерное излучение QCL лазера собирали и затем перефокусировали на щель с помощью двух линз (f/0,5 и f/2). В конце акустический сигнал был зарегистрирован с помощью микрофона и подан в анализатор спектра. Измерения проводились при непрерывном потоке газа.

Результаты эксперимента

Выраженный пик на частоте 1,3 кГц на сплошной кривой (рис. 3) обусловлен ограничением резонатора Гельмгольца. Добротность резонатора определяется соотношением v0/v, где  v0 - резонансная частота, а v - ширина пика при 1/√2 максимума. Из рисунка получаем Q=24, что хорошо согласуется с расчетами.

Пунктирная кривая на рис. 2 представляет собой интегрированный спектр шума микрофона, записанный в течение нескольких минут при выключенном QCL лазере. Это явно демонстрирует эффект акустической фильтрации: внешний шум на частоте 1,3 кГц уменьшается, а фотоакустический сигнал остается неизменным. Аналогичные измерения проводились на ячейке, состоящей из простого резонатора Гельмгольца. Как и ожидалось, в этом случае как фотоакустический, так и шумовой спектры показали ярко выраженный пик на резонансной частоте, в результате чего отношение сигнал/шум оказалось в 10 раз ниже, чем при низкочастотной фильтрации.

Во вставке на рис. 2 приведены фотоакустические спектры для различных объемов резонатора Гельмгольца. Добротность увеличивается в 5 раз с увеличением объема, то есть за счет уменьшения резонансной частоты с 2,7 до 1,3 кГц. В том же частотном диапазоне интенсивность шума при резонансе увеличилась только в 3 раза за счет действия акустического фильтра. Поэтому, установив резонансную частоту на уровне 1,3 кГц, работа ячейки может быть оптимизирована.

На рис. 3 представлен спектр шума резонатора в зависимости от диаметра отверстия перед акустическим фильтром. Как и ожидалось, уменьшение диаметра отверстия с 5 до 0,5 мм имеет два основных последствия: 1) частота среза смещается в сторону более низких частот; 2) общий уровень шума существенно снижается за счет более эффективной акустической изоляции. Следует отметить, что из-за размеров QCL лазера, 30 х 5 мкм, диаметр отверстия может быть дополнительно уменьшен по крайней мере до 100 мкм без каких-либо потерь мощности. На самом деле, учитывая расходимость пучка QCL лазера, отверстия диаметром несколько мм достаточно для сбора всего испускаемого излучения, когда лазер расположен непосредственно перед оптическим окном (см. рис. 1). Таким способом можно было бы не использовать фокусирующую оптику, т.е. снизить затраты и потери мощности из-за отражений на поверхностях.

 

Применение квантово-каскадных лазеров в зондировании газов-3

Рисунок 3. Спектры шума для различных диаметров отверстия, просверленного перед первой камерой.

На рис. 4, где показана зависимость измеренного соотношения сигнал/шум при снижении концентрации этанола. Лазер работал в импульсном режиме, как описано выше, с частотой модуляции 1,3 кГц. Измерена средняя выходная мощность в течение одной серии импульсов (T = 240 К).

В измеренном диапазоне концентраций закон Бугера–Ламберта может быть линеаризован, что объясняет наблюдаемое линейное уменьшение фотоакустического сигнала. Экстраполированная минимально определяемая концентрация составляет 1 мг/кг. Полученная чувствительность сравнима с той, о которой сообщается в исходных данных при времени интегрирования 1 с. Авторы подчеркивают, что точки данных были получены всего за 10 мс времени интеграции.

Применение квантово-каскадных лазеров в зондировании газов-4

Рисунок 4. Отношение сигнала к шуму и концентрация паров этанола в миллионных долях. Линейная экстраполяция приводит к минимальной обнаруживаемой концентрации 1 миллионной доли.

Заключение

Результаты эксперимента показывают, что датчик газов потенциально интересен для различных применений, начиная от управления промышленными процессами и заканчивая мониторингом загрязнений. Однако чувствительность датчика все еще недостаточно изучена и подход к ее увеличению не найден. В будущих исследованиях лаборатории Alpes Lasers будут актуальны следующие цели: 1) снижение шума электрического датчика, 2) снижение акустического шума и 3) увеличение добротности резонатора, и кроме того, возможность полного устранения оптики при сохранении эффективной фильтрации шума – эта гипотеза будет проверена в будущих экспериментах. Реализация лазерного возбуждения с помощью DFB-QCL лазера в основной зоне поглощения потенциально может привести к значительному улучшению чувствительности обнаружения для рассматриваемого метода.

© Rev. Sci. Instrum., 73, 2002

 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Alpes Lasers на территории РФ

 

Теги фотоакустическая спектроскопия  квантово-каскадный лазер alpes lasers
Новые статьи
Планарный лазер с солнечной накачкой

В статье демонстрируется работа планарного лазера с солнечной накачкой без объектива с использованием люминесцентного солнечного коллектора (LSC) в сочетании с волоконным лазером с поперечной геометрией возбуждения при естественном солнечном свете.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2