本文關(guān)鍵詞：基于中紅外半導(dǎo)體激光器的氣體檢測系統(tǒng)的研制

  更多相關(guān)文章： 氣體 量子級聯(lián)激光器 紅外光譜 氣室 間帶級聯(lián)激光器 光聲光譜

【摘要】：使用中紅外半導(dǎo)體激光器和三種不同的氣體檢測方法(直接吸收光譜技術(shù),可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)和光聲光譜技術(shù))對甲烷,一氧化碳和乙烷氣體進行了檢測,并對各個系統(tǒng)的檢測靈敏度和穩(wěn)定性等性能進行了測試。首先,介紹了使用間帶級聯(lián)激光器(ICL)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的甲烷和乙烷氣體檢測系統(tǒng)。甲烷和乙烷系統(tǒng)均使用了多反射氣體吸收氣室和可工作在室溫條件下的連續(xù)波、分布反饋間帶級聯(lián)激光器。其中,甲烷傳感器使用了折疊式雙層光路結(jié)構(gòu)設(shè)計,配合使用良好的電源管理,整個傳感器的尺寸小至32×20×17 cm~3,電功率消耗減至6W。此外,使用多項式擬合方法移除光譜掃描的基線,簡化了數(shù)據(jù)處理并提高了數(shù)據(jù)采集的效率。結(jié)果顯示,積分時間為1-s時,此傳感器對甲烷氣體的檢測靈敏度為10.5 ppb,積分時間增至60-s時,最小探測靈敏度可被提高至1.4 ppb。使用此傳感器對環(huán)境中甲烷氣體進行連續(xù)七天的監(jiān)測,結(jié)果顯示,此傳感器具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。乙烷傳感器則采取了單層光路結(jié)構(gòu)設(shè)計,其物理尺寸為35.5×18×12.5 cm~3,包括一個波長在3.34μm的連續(xù)波間帶級聯(lián)激光器,光程為54.6米(物理尺寸為17×6.5×5.5cm~3)的多反射氣體吸收氣室。使用此ICL可以在乙烷基頻吸收帶鎖定到位于2996.88 cm-1的無干擾乙烷吸收線。通過使用2f/1f-WMS技術(shù),減小了光源波動的干擾,提高了傳感器的檢測靈敏度和穩(wěn)定性。積分時間為4-s時,此傳感器對乙烷氣體的測量靈敏度分別為~1.19 ppb(2f-WMS)和~1.05 ppb(2f/1f-WMS)。而且,傳感器的靈敏度可以被分別提高到299 ppt(@108s使用2f-WMS方法)和239ppt(@208s使用2f/1f-WMS方法)。此外,分別使用這兩種檢測方法對傳感器進行了動態(tài)測量實驗,以確定乙烷傳感器的準確度和精確度。然后,介紹了基于間帶級聯(lián)激光器和光聲光譜(QEPAS)技術(shù)的乙烷氣體檢測系統(tǒng)。完成了對乙烷氣體的濃度標定、系統(tǒng)靈敏度確定和穩(wěn)定性測試等相關(guān)工作。通過對此傳感器進行優(yōu)化,在氣壓為100 Torr,調(diào)制深度為0.106 cm-1時,得到了傳感器輸出的最大二次諧波信號。此外,通過對系統(tǒng)背景噪聲進行連續(xù)一個小時的測量,得到了系統(tǒng)平均噪聲約為0.347 V,此時得到的信噪比為28.56,由此確定,此傳感器對乙烷氣體的探測靈敏度為~39.9 ppb。最后,介紹了基于量子級聯(lián)激光器(QCL)和直接吸收光譜技術(shù)的甲烷和一氧化碳氣體檢測系統(tǒng)。根據(jù)紅外光譜吸收原理,利用甲烷(CH4)氣體分子在7.5μm處的基頻吸收特性,設(shè)計了一個使用QCL和多反射氣體吸收氣室(MPC)的甲烷氣體傳感器。此傳感器使用的QCL的中心波長為7.5μm,并帶有熱電致冷功能。使用了一種緊湊型MPC(40 cm長,800 ml采樣容積),使得系統(tǒng)光程達到16米。此外,利用差分吸收光譜檢測原理,有效地改善了光束質(zhì)量,降低了由光源波動引起的噪聲,提高了儀器的檢測靈敏度。通過對不同濃度的甲烷氣體進行多次檢測,該儀器的穩(wěn)定性能良好。一氧化碳傳感器使用了與上述甲烷傳感器類似的系統(tǒng)配置和檢測方法,它使用的QCL的中心波長是4.75μm,并在波數(shù)為2103.3 cm-1的位置完成了對一氧化碳氣體濃度的檢測工作,最終實現(xiàn)了對CO氣體濃度的檢測下限為5 ppm。而且,此部分還介紹了一個低溫漂量子級聯(lián)激光器驅(qū)動電源,文中詳細分析了由電源中各集成芯片和阻性元件的溫度變化所產(chǎn)生的對激光器驅(qū)動電流的影響,并在相應(yīng)軟件補償?shù)淖饔孟?可以減小環(huán)境溫度變化對QCL的工作穩(wěn)定性和魯棒性產(chǎn)生的影響。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN247

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 iJ瑞青;李路;江宇超;;帶間級聯(lián)激光器:從原始概念到實際器件[J];物理學進展;2014年04期

2 陳君景;王一丁;曹峰;;中紅外第二型帶間級聯(lián)激光器[J];激光與光電子學進展;2008年03期

3 李明;量子阱級聯(lián)激光器[J];物理;1995年04期

4 林琳;陳宏泰;安志民;車相輝;王晶;;900nm三疊層隧道級聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J];微納電子技術(shù);2010年07期

5 鄒德恕,崔碧峰,李建軍,廉鵬,徐晨,韓金茹,劉瑩,杜金玉,張麗,高國,沈光地;隧道帶間耦合級聯(lián)新型激光器擴展電流的優(yōu)化[J];光電子·激光;2001年10期

6 ;[J];;年期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李春光;基于中紅外半導(dǎo)體激光器的氣體檢測系統(tǒng)的研制[D];吉林大學;2016年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 李倩影;2μm雙極級聯(lián)激光器的設(shè)計與制備[D];長春理工大學;2011年

2 楊微;中紅外InAs/GaInSb帶間級聯(lián)激光器的研究[D];吉林大學;2007年

，

本文編號：1289337