氣體分析儀主要利用激光光譜技術(shù),，通過(guò)氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的激光吸收特性來(lái)檢測(cè)氣體濃度。1.激光吸收光譜原理激光吸收光譜法基于不同氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的激光具有不同的吸收特性,。當(dāng)激光光束穿過(guò)氣體樣品時(shí),，特定氣體分子會(huì)吸收與其吸收光譜相匹配的激光波長(zhǎng),。通過(guò)測(cè)量吸收后的激光強(qiáng)度變化，可以確定氣體的濃度,。2.調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是激光氣體分析儀**常用的技術(shù)之一,。其工作原理如下：激光光源：使用調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為光源，能夠在特定的窄波段范圍內(nèi)快速調(diào)諧激光波長(zhǎng),，精確匹配待測(cè)氣體的吸收峰,。氣體吸收過(guò)程：激光器發(fā)射的窄帶單色激光穿過(guò)待測(cè)氣體樣品。由于特定氣體分子在特定波長(zhǎng)處具有吸收峰,，部分激光能量被吸收,，導(dǎo)致光強(qiáng)度減弱。探測(cè)器測(cè)量：激光通過(guò)氣體后,，剩余的激光光強(qiáng)被探測(cè)器接收,。探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，測(cè)量激光強(qiáng)度的衰減,。信號(hào)處理與濃度計(jì)算：分析儀通過(guò)計(jì)算吸收光譜的強(qiáng)度和形狀,，使用朗伯-比爾定律（Beer-LambertLaw）來(lái)推導(dǎo)出氣體的濃度。TDLAS技術(shù)的高分辨率和高靈敏度使其能夠準(zhǔn)確檢測(cè)低濃度的氣體,。3.光聲光譜（PAS）光聲光譜（PhotoacousticSpectroscopy,。 TDLAS利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長(zhǎng)隨注入電流變化，對(duì)分子的單個(gè)或幾個(gè)相近的吸收線進(jìn)行測(cè)量,。青海水QCL激光器

    QCL激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL（上圖）,、DFB-QCL（中圖）和ECqcL（下圖）。增益介質(zhì)顯示為灰色,，波長(zhǎng)選擇機(jī)制為藍(lán)色,，鍍膜面為橙色，輸出光束為紅色,。1.**簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是F-P腔激光器（FP-QCL）,。在F-P結(jié)構(gòu)中，切割面為激光提供反饋,，有時(shí)也使用介質(zhì)膜以優(yōu)化輸出,。2.第二種結(jié)構(gòu)是在QC芯片上直接刻分布反饋光柵。這種結(jié)構(gòu)（DFB-QCL）可以輸出較窄的光譜，但是輸出功率卻比FP-QCL結(jié)構(gòu)低很多,。通過(guò)**大范圍的溫度調(diào)諧,，DFB-QCL還可以提供有限的波長(zhǎng)調(diào)諧（通過(guò)緩慢的溫度調(diào)諧獲得10~20cm-1的調(diào)諧范圍，或者通過(guò)快速注進(jìn)電流加熱調(diào)諧獲得2~3cm-1的范圍）,。3.第三種結(jié)構(gòu)是將QC芯片和外腔結(jié)合起來(lái),，形成ECqcL。這種結(jié)構(gòu)既可以提供窄光譜輸出,，又可以在QC芯片整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1）提供快調(diào)諧（速度超過(guò)10ms）,。由于ECqcL結(jié)構(gòu)使用低損耗元件，因此它可在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作,。 寧夏加工QCL激光器可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（ＴＤＬＡＳ）是一種 具有高分辨率,、高靈敏度、快速檢測(cè)特點(diǎn)的氣體檢測(cè) 技術(shù),。

    工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、化石燃料燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等人類活動(dòng)產(chǎn)生的過(guò)量溫室氣體加劇了全球氣候變暖,，研究和發(fā)展適用于不同空間,、時(shí)間尺度的溫室氣體精確、快速,、動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)是環(huán)境氣候研究的基礎(chǔ)和前提,。基于光譜學(xué)原理的氣體檢測(cè)技術(shù),，具有非接觸,、快響應(yīng)、高靈敏,、大范圍監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),，是目前溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的主流研究方向。針對(duì)當(dāng)前溫室氣體點(diǎn)源,、面源,、區(qū)域、全球等尺度下的監(jiān)測(cè)需求,，綜合利用多種形式的光譜學(xué)測(cè)量手段，開展地面探測(cè),、地基探測(cè),、機(jī)載探測(cè)和星載探測(cè)四種典型光學(xué)觀測(cè)，獲取溫室氣體空間分布,、季節(jié)變化和年變化的特征和趨勢(shì),，這對(duì)理解區(qū)域碳排放、掌握源匯信息,、研究環(huán)境氣候變化規(guī)律等具有重要意義,。二氧化碳（CO2）,、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）,、氫氟碳化合物（HFCs）,、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）,，其中后三種氣體造成溫室效應(yīng)的能力強(qiáng),，但從對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)百分比來(lái)說(shuō)，CO2,、CH4和N2O三大主要溫室氣體所占的比例大,，它們對(duì)全球變暖的總體貢獻(xiàn)占到77%，濃度也呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢(shì),。

    痕量氣體檢測(cè)對(duì)于很多領(lǐng)域都有著非常重要的作用,比如大氣環(huán)境監(jiān)測(cè),、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)、燃燒流場(chǎng)診斷,、人體呼吸氣體檢測(cè)等等,。而紅外光譜為分子的振動(dòng)躍遷光譜,因此在檢測(cè)技術(shù)中,“紅外激光光譜法”是目前受到較多關(guān)注的主流方法之一。不同于傅里葉變換紅外光譜(FTIR),、非分散紅外光譜(NDIR)這些“紅外光譜”同門,紅外激光光譜配置的不是寬帶光源,而是高單色性的紅外激光,。有著更高的光譜分辨率、可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)光程檢測(cè),、不需要額外分光部件,儀器能夠進(jìn)一步小型化等等優(yōu)點(diǎn),。按波段來(lái)分的話,紅外激光光譜法主要涉及近紅外和中紅外兩個(gè)波段。相對(duì)于近紅外,中紅外波段是氣體分子基帶吸收光譜區(qū),分子吸收線的強(qiáng)度比近紅外要大幾個(gè)量級(jí),。比如,CH4在3．3um處的吸收強(qiáng)度,是其在1．6um處的163倍,理論檢測(cè)下限可達(dá)0．9ppb/m,。因此,它能夠?qū)崿F(xiàn)痕量氣體的超高靈敏探測(cè)。在一些濃度較低或?qū)`敏度要求較高的污染源排放的氣體監(jiān)測(cè)中,有很好的應(yīng)用,。 中紅外QCL-TDLAS激光氣體檢測(cè)技術(shù)有 ppb 級(jí)超高靈敏度,、超大檢測(cè)范圍、高選擇性,、實(shí)用性強(qiáng),，易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

    量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率較高圖3量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)工作示意圖（兩個(gè)周期）比起中紅外波段其它光源,，QCL的輸出功率較高,。不同的激光氣體檢測(cè)應(yīng)用中會(huì)需要不同的功率，故激光器的高功率工作是非常必要的,。改變工作電流就可以改變激光器的輸出功率,，高功率的激光器能夠提供的功率范圍大，可以滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)景。QCL輸出功率較高的原因可以歸結(jié)于其本身的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，其電子利用效率較高,。內(nèi)量子效率是指每秒注入有源區(qū)的電子-空穴對(duì)數(shù)能夠產(chǎn)生的光子數(shù)多少。圖3給出典型的QCL有源區(qū)工作示意圖,，電子流通過(guò)一系列的子帶和微帶,，實(shí)現(xiàn)子帶中的上能級(jí)電子的集聚，之后迅速躍遷到下能級(jí)并產(chǎn)生光子,，之后注入?yún)^(qū)再重復(fù)利用電子流,，使之進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。理論上一個(gè)電子可以產(chǎn)生與有源區(qū)級(jí)數(shù)相同的光子數(shù),，從而內(nèi)量子效率較高,，輸出的功率也就越大。而常規(guī)的半導(dǎo)體激光器中,，一個(gè)電子在與空穴相遇后輻射出一個(gè)光子,。可室溫工作許多應(yīng)用中需要激光器能室溫工作（室溫脈沖或室溫連續(xù)工作）,。器件低溫工作時(shí)需將激光器放置在液氮制冷的杜瓦中,，將增大系統(tǒng)體積，而且不利于激光器的光束整形,。而常規(guī)半導(dǎo)體激光器中電子和空穴的分布對(duì)溫度十分敏感,，在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域。 分布式反饋激光二極管（DFB-LD）檢測(cè)某種氣體,，該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長(zhǎng),。黑龍江一氧化氮QCL激光器定制

DFB激光器由于具有良好的單色性，窄線寬特性和頻率調(diào)諧特性,。青海水QCL激光器

    大氣中CO2,、CH4、N2O三大溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段,，其中近紅外波段波長(zhǎng)在－μm范圍,，對(duì)應(yīng)于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長(zhǎng)位于－25μm范圍,，對(duì)應(yīng)于氣體分子的“基頻”吸收譜帶,，吸收強(qiáng)度要明顯高于近紅外波段，適用于濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測(cè),。針對(duì)目前溫室氣體多目標(biāo)場(chǎng)景監(jiān)測(cè)需求,，研究人員開展了不同形式的探測(cè)方法研究，主要包括地面探測(cè),、地基探測(cè)、機(jī)載探測(cè)和星載探測(cè)，綜合運(yùn)用各種吸收光譜技術(shù)和儀器,，通過(guò)掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜,，經(jīng)過(guò)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、光譜信號(hào)采集,、濃度算法解析,、軟件數(shù)據(jù)處理等技術(shù)過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體多組分高靈敏時(shí)空分辨觀測(cè),。 青海水QCL激光器

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