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復(fù)雜生態(tài)環(huán)境溫室氣體不同空間,、時(shí)間尺度的濃度監(jiān)測(cè)是了解溫室氣體源與匯的基礎(chǔ)。目前適應(yīng)生態(tài)環(huán)境溫室氣體長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段仍有待研究,??烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是一種非侵入式光譜測(cè)量技術(shù),具有高選擇、高靈敏度,、高分辨等特點(diǎn),與目前新興的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)分子"基頻"吸收光譜測(cè)量,進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度,達(dá)到溫室氣體區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)需求,。激光氣體分析利用激光光譜技術(shù),通過(guò)氣體對(duì)特定波長(zhǎng)激光的吸收特性來(lái)檢測(cè)氣體濃度,。適用于檢測(cè)具有特定吸收特性的氣體,如甲烷,、二氧化碳,、一氧化碳、水蒸氣,、氧化亞氮和氨氣,。憑借其高精度、快速響應(yīng)和非接觸式檢測(cè)的特點(diǎn),,激光氣體分析儀在工業(yè)過(guò)程控制,、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全與泄漏檢測(cè),、醫(yī)療與生命科學(xué)以及科研實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,。 量子級(jí)聯(lián)激光器使中遠(yuǎn)紅外波段高可靠、高功率和高特征溫度激光器成為可能,,為氣體分析等提供了新型光源,。上海SF6QCL激光器型號(hào)
相比較與其它激光器,量子級(jí)聯(lián)激光器的優(yōu)點(diǎn)如下:1)中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段出射,;在QCL發(fā)明之前,,半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)主要在可見(jiàn)光和近紅外波段,當(dāng)我們需要使用中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的激光時(shí),,半導(dǎo)體激光器對(duì)此則有些無(wú)能為力,,不同體系激光器激射波長(zhǎng)范圍如圖3。QCL的發(fā)明,,使得半導(dǎo)體激光器也能激射出中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的激光,。如圖3.不同激光器發(fā)光范圍[15]2)寬波長(zhǎng)范圍;QCL激射波長(zhǎng)取決于子帶間能量差,,可以通過(guò)設(shè)計(jì)量子阱層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)控制,,所以量子級(jí)聯(lián)激光器的激射波長(zhǎng)范圍極寬(約3-250μm),并且可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)特定波長(zhǎng)的激光輸出。3)體積??;QCL相比其它激光器如:一氧化碳激光器(激射波長(zhǎng)為4-5μm)和二氧化碳激光器(激射波長(zhǎng)為μm),具有體積小,、重量輕的特點(diǎn),,其攜帶方便,便于系統(tǒng)化和集成化,。4)單極型結(jié)構(gòu),;傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器為雙極型,其出光原理依靠的是p-n結(jié)中導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合所產(chǎn)生的受激輻射,,而QCL全程只有電子參與,,空穴并未參與輻射發(fā)光過(guò)程,所以量子級(jí)聯(lián)激光器為單極型激光器,,且其出射的激光具有很好的單向偏振性,。5)高的電子利用效率;因?yàn)镼CL所獨(dú)特的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),,電子在參與完子帶間躍遷發(fā)光后,,并沒(méi)有湮滅。 寧夏定制QCL激光器報(bào)價(jià)通訊是DFB的主要應(yīng)用,,如1310nm,,1550nm DFB激光器的應(yīng)用,這里主要介紹非通訊波段DFB激光器的應(yīng)用,。
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(kāi)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)。
2002年之后,,帶間級(jí)聯(lián)激光器在美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)取得了更加快速的發(fā)展,,在低閾值電流、高工作溫度以及長(zhǎng)波長(zhǎng)等方向上都取得了矚目的成果,。其中**重要的是2005年,,研究人員制作出的單縱模分布反饋式激光器(DFB)可以實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的檢測(cè)。并于2007年交付美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的好奇號(hào)進(jìn)行火星的甲烷探測(cè),。2008年,,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化和發(fā)展,終于實(shí)現(xiàn)了里程碑式的***臺(tái)室溫連續(xù)激射的帶間級(jí)聯(lián)激光器,,連續(xù)波**高工作溫度可達(dá)319K,,激射波長(zhǎng)為μm。2011年,,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,又進(jìn)一步提出了“載流子再平衡”的概念,,解決了有源區(qū)中電子和空穴的數(shù)量不均等問(wèn)題,,通過(guò)改變電子注入?yún)^(qū)中的摻雜濃度,平衡有源區(qū)中過(guò)高的空穴濃度,。之后,,德國(guó)伍茲堡大學(xué)在“載流子再平衡”的基礎(chǔ)上,提出了短注入?yún)^(qū)的設(shè)計(jì),。2014年,,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室通過(guò)增加有源級(jí)聯(lián)區(qū)的周期數(shù)及分別限制層的厚度,進(jìn)一步提高了帶間級(jí)聯(lián)激光器的器件指標(biāo),,其室溫連續(xù)輸出功率達(dá)592mW,,輸出特性以及輸出波長(zhǎng)如圖3和4所示。這也是目前帶間級(jí)聯(lián)激光器輸出功率的**高指標(biāo),,并在2015年成功制作級(jí)聯(lián)數(shù)為10的帶間級(jí)聯(lián)激光器,。 QCL激光器的基本結(jié)構(gòu)包括FP-QCL、DFB-QCL和ECqcL,。
TDLAS能實(shí)現(xiàn)"原位,、連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量",,環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),,易于設(shè)備的小型化,。因此可以?huà)昝搶?shí)驗(yàn)室的束縛,在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中大展拳腳,。比如大氣環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè),、發(fā)動(dòng)機(jī)效率檢測(cè)、汽車(chē)尾氣測(cè)量,、工業(yè)過(guò)程氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等等,。TDLAS利用半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧特性,可獲得被選定的待測(cè)氣體特征吸收峰的吸收光譜,,從而對(duì)氣體定性或者定量的分析,。每種氣體分子的吸收峰受其他氣體吸收干擾很小,所以也稱(chēng)之為"分子的指紋峰"TDLAS技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是這些氣體"分子指紋"的識(shí)別系統(tǒng),,具有很強(qiáng)的選擇性,。此外,TDLAS的檢測(cè)靈敏度也是較高的,,不過(guò)檢出限能達(dá)到怎樣的量級(jí),,就和所用光源有著很大的關(guān)系。常見(jiàn)的污染氣體的"指紋峰"主要集中在4μm-10μm,,基本是中紅外的天下,,所以,作為中紅外激光光源的QCL,,則可展現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì),。再加之高輸出功率,檢出限可達(dá)到ppb,,甚至ppt級(jí)別,。這比傳統(tǒng)的近紅外光源所能達(dá)到的水平,整整高出了3~6個(gè)量級(jí),。 基于 TDLAS 技術(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法,,且效果明顯。上海SF6QCL激光器型號(hào)
DFB激光器同時(shí)提供對(duì)波長(zhǎng)的平滑,、可調(diào)諧控制以及精確光纖通信和光譜應(yīng)用所需的極窄光譜寬度,。上海SF6QCL激光器型號(hào)
量子級(jí)聯(lián)激光器是基于多個(gè)量子阱異質(zhì)結(jié)中掩埋次能級(jí)躍遷的單極半導(dǎo)體注入激光器,它們是通過(guò)能帶工程并通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)方法得到的,。QCL激光器的輸出波長(zhǎng)依賴(lài)于量子阱和作用區(qū)掩埋層的厚度而不是激光材料的能級(jí),。由于QCL輸出波長(zhǎng)不受帶隙寬度的限制,因而能夠被制成在中紅外波長(zhǎng)區(qū)較寬范圍里輸出,。QCL的輸出波長(zhǎng)區(qū)可以從μm到60μm,,激光輸出功率可以達(dá)到幾個(gè)mW。QCL在脈沖工作方式下可以工作在室溫下,,并且已經(jīng)被用于痕量氣體的光譜檢測(cè),,但由于脈沖激光固有特點(diǎn)使其線(xiàn)寬相對(duì)較寬,。雖然單模連續(xù)輸出DFB-QCL已早有報(bào)道,但到目前為止,,還沒(méi)有痕量氣體檢測(cè)的報(bào)道,。鑒于目前中紅外光譜區(qū)傳統(tǒng)激光技術(shù)存在的需要低溫制冷等限制,利用技術(shù)成熟的近紅外激光光源的參量頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)波中紅外相干光源輸出是一個(gè)有效的補(bǔ)充,。在中紅外光譜相干光輸出的參量過(guò)程主要有光參量振蕩(OPO)和差頻變換(DFG),。 上海SF6QCL激光器型號(hào)