复杂生态环境温室气体不同空间、时间尺度的浓度监测是了解温室气体源与汇的基础。目前适应生态环境温室气体长期连续监测的技术手段仍有待研究。可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)是一种非侵入式光谱测量技术,具有高选择、高灵敏度、高分辨等特点,与目前新兴的中红外量子级联激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)相结合,可实现分子"基频"吸收光谱测量,进一步提高检测灵敏度,达到温室气体区域环境监测需求。激光气体分析利用激光光谱技术,通过气体对特定波长激光的吸收特性来检测气体浓度。适用于检测具有特定吸收特性的气体,如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧化亚氮和氨气。凭借其高精度、快速响应和非接触式检测的特点,激光气体分析仪在工业过程控制、环境监测、安全与泄漏检测、医疗与生命科学以及科研实验室等多个领域中得到了广泛应用。 QCL激光器的基本结构包括FP-QCL、DFB-QCL和ECqcL。N2OQCL激光器价格
传统的半导体激光器,工作原理都是依靠半导体材料中导带的电子和价带中的空穴复合而激发光子,其激射波长由半导体材料的禁带宽度所决定,由于受禁带宽度的限制,使得半导体激光器难以发出中远红外以及太赫兹波段的激光。自然界不多的对应能出射中远红外的半导体材料-铅盐系材料,其只能在低温下工作(低于77K),且输出功率极低,为微瓦级别。为了使半导体激光器也能激射中远红外以及太赫兹波段的光,科研人员跳出了基于半导体材料p-n结发光的理论,提出了量子级联激光器的构想。量子级联激光器的工作原理为电子在半导体材料导带的子带间跃迁和声子共振辅助隧穿从而产生光放大,其出射波长由导带的子带间的能量差所决定,和半导体材料的禁带宽度无关,因此可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。如图1.(A)传统半导体激光器其发光原理(B)QCL发光原理。 北京SF6QCL激光器封装量子级联激光器窄线宽,可以获得气体分子、原子光谱线精细结构,因此在气体检测分辨率要高于其他检测方法。
带间级联激光器(ICL)是实现3~5μm波段中红外激光器的重要前沿,其在半导体光电器件技术、气体检测、医学医疗以及自由空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。近年来,半导体带间级联激光器的量子阱能带理论设计方法和激光器制备**技术得到迅速提升。带间级联激光器是一种以Å族体系为主,通过量子工程的能带设计及其材料外延、工艺制作而成的可以工作于中红外波段的激光器。由于结合了传统的量子阱激光器较长的上能级载流子复合寿命,以及量子级联激光器(QCL)通过级联结构实现较高内量子效率的优点,在中红外波段具有较大的优势。研究背景中红外波段包含了许多气体分子的吸收峰,对于气体分子而言,在中红外波段的中心吸收截面一般比其在近红外区的中心吸收截面高几个数量级。因此,为了获得更高的灵敏度和更低的检测限,利用中红外的可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)可以实现对特殊或有毒气体的检测。常见的位于中红外波段的气体分子如图1所示,诸如矿井气体甲烷(CH4)分子吸收峰位于3260nm,一氧化碳(CO)分子吸收峰位于4610nm,二氧化碳(CO2)分子吸收峰位于4230nm,氯化氢(HCl)分子吸收峰位于3395nm,溴化氢(HBr)分子吸收峰位于4020nm。
在环境污染分子的监测分析中,典型的应用有、、。近红外光谱的一个优点是压力加宽不是一个很大的问题,因此可以在近大气压或开放光程工作。缺点是有许多分子在该谱区没有吸收,虽然在测量复杂混合物时,这也许是一个优点。中红外波段工作在3-13μm的“指纹”区,是气体分子基带吸收。这个波段分子吸收线的强度比近红外波段要大几个量级。如:CH4在,理论检测下限可达;CO在,理论检测可达。通常分子在这个波段的振动和转动光谱谱线非常丰富密集,典型的光谱线宽约为2×10-3cm-1(~60MHz)。中红外波段激光光谱技术目前主要受到激光光源的限制,但近几年来,随着红外激光技术的发展和新型中红外相干光源技术的发展,在中红外波段进***体分子的超高灵敏检测技术有了长足的进步。 可调谐半导体激光器调制光谱技术和二氧化碳检测技术可以测得二氧化碳气体浓度值。
阈值电流密度较低带间跃迁和子带间跃迁示意图常规半导体激光器是双极性器件,导带中的电子与价带中的空穴复合生成光子,而量子级联激光器是单极性器件,只靠导带中子带间电子的跃迁产生光子,如图4所示,电子跃迁的始态与终态的曲线的曲率相同,这样形成的增益谱很窄而且对称,是量子级联激光器能够低阈值工作的一个原因。当然,QCL的阈值电流密度也与有源区设计,材料生长以及器件结构有关。尺寸较小图5量子级联激光器实物图量子级联激光器的尺寸较小,如图5所示,量子级联激光器管芯的长度一般为3mm,随着激光器性能提高,可以将其封装在方盒内,从而方便地移动和操作。量子级联激光器的工作温度、输出性能和波长覆盖范围在过去的20年取得了迅猛发展。其中,有两个里程碑,一个是1997年室温工作的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的研制成功,实现了波长为μm和8μm的DFB-QCL的室温工作,其中μm的激光器300K时峰值功率为60mW;另一个是2002年实现了波长为μm量子级联激光器的室温连续工作,器件在292K时输出功率为17mW,比较高连续工作温度为321K。 中红外QCL-TDLAS激光气体检测技术有 ppb 级超高灵敏度、超大检测范围、高选择性、实用性强,易于维护等优势。内蒙古定制QCL激光器报价
红外气体传感器是通过测量被测气体在特定的红外波段吸收了多少光的能量来计算浓度的。N2OQCL激光器价格
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