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中紅外激光器在氣體分析領域的研究價值 2021-09-02

背景介紹

氣體檢測分子吸收


絕大多數氣態化學物質在中紅外光譜區(≈2-25μm)都顯示出基本的振動吸收帶,這些基本帶對光的吸收提供了一種幾乎通用的檢測手段。光學技術的主要特征是對痕量氣體的非侵入式原位檢測能力。我們將主要討論連續波中紅外激光光譜以及中紅外光譜激光應用。目前中紅外激光在定量痕量氣體檢測中的應用必將代替近紅外成為下一代高精度的選擇。進入21世紀全球環境問題日益突出,各國政府都在在努力減少溫室氣體排放。二氧化碳(CO2)通常被稱為溫室氣體,但其他使全球環境惡化的氣體還包括二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)。此外,在氣體泄漏檢測和爆炸性氣體的集中監控是預防災難中我們激光法可以采取有效報警措施從而可以避免風險于災難之前。


激光吸收光譜法是檢測微量氣體的方法之一。它使用分布式反饋激光二極管(DFB-LD)檢測某種氣體,該二極管具有特定于該氣體的光吸收波長。由于氣體的光吸收在長波長區域變強,因此超過2000nm的近紅外至中紅外DFB-LD已經用于氣體檢測。DFB-LD的光譜表征非常重要,因為該方法的測量能力受DFB-LD的邊模抑制比(SMSR)性能的很大影響。適用的模型是可以測量近紅外和/或中紅外光的光譜分析儀。它們提供的動態范圍足夠寬,可以測量傳統分光鏡無法觀察到的50dB或更高的DFB-LD SMSR,這里我們不做贅述,下一期我們會專門討論。

微信圖片_20210902091147.jpg


圖1 




空間通訊


中紅外激光可以在大氣中遠距離傳輸。中紅外還包含兩個主要的大氣傳輸窗口(3-5μm和8-12μm區域),其中大氣中主要成分的吸收非常低,如圖2所示??梢赃h距離傳播,從而在國防(例如導彈對策1)和自由空間通信2中有多種應用。


微信圖片_20210902091409.jpg





 圖2 



筱曉光子可以提供的氣體檢測分子吸收激光器介紹

我們公司主要可以做以下QCL檢測氣體方案(每個波長年供應量500-1000pcs):


Gas
CH4CO2CO
NO2NO
SO2
Wavelenght(μm)7.657
4.232
4.602
6.238
7.576
5.271
7.273
8.681
Gas
H2S
N2O
H2CO
NH3SF6
Wavelenght(μm)7.734
4.47
7.782
5.727
8.006
8.569
6.15
10.6




我們擁有中紅外半導體分析測試評估能力

光譜分析測試



以5.26um DFB-QCL激光器在25℃下的波長電流光譜圖測試為例:


微信圖片_20210902091430.jpg


黃線:150mA,5267.08nm;


紅線:165mA,5269.48nm;
綠線:180mA,5271.52nm;
粉線:195mA,5274.60nm;
藍線:210mA,5278.28nm。


光束質量分析(5.26um DFB-QCL激光器在25℃):


微信圖片_20210902091453.jpg

微信圖片_20210902091503.jpg



測試相機Pixel size=5μm,高斯擬合光斑直徑為320μm。



可以批量供貨的MIR-DFB的半導體激光器介紹


工作波長 (nm)氣體類型應用領域供應能力
1814, 2270, 2670, 3420Nitrogen oxides (NOX)Environment, Health

1814/2270nm量產

2670,3420nm小批量驗證

1877, 2682Water vapor (H2O)Environment, Automotive, Process control1877, 2682nm量產
2004, 2770Carbon dioxide (CO2)Environment, Automotive, Process control, Health

2004nm量產

2770nm暫無

2330, 2327Carbon monoxide (CO)Environment, Health, Process control, Safety2330, 2327nm量產
3030
Acetylene (C2H2)Health, Process control, Safety3030nm小批量供貨
3270
Methane (CH4)Environment, Health, Process control, Safety3270nm小批量供貨
3560
Formaldehyde (CH2O)Environment, Safety3560nm小批量供貨




典型光譜圖




微信圖片_20210902091528.jpg




筱曉光子可以提供用于高功率空間通訊的激光器(3-5um,8-12um)




通訊波段QCL波長4.0um4.6um
9.0um
10.56um
最輸出功率300mw
500mw
500mw
500mw




展望LWIR波段



目前受限于半導體工藝波長限制,如下很多長波的氣體我們目前還不好測試,但是我們相信隨著半導體芯片的研發深入,會有更多的氣體應用得到挖掘。


Examples of detectable gases




微信圖片_20210902091549.jpg





參考文獻:

1、J. Hecht, “Photonic Frontiers: Laser countermeasures: scaling down mid-IR laser countermeasures for smaller aircraft”, Laser focus world, 2014.

2、N. S. Prasad, “Optical communications in the mid-wave IR spectral band”. In: Free-space laser communications. Optical and fiber communications reports, 2005, vol 2, p. 347-391.











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