1、比爾-朗伯定律
一束激光穿過濃度為C的被測氣體時(shí)，當(dāng)激光器的波長和被測氣體某個(gè)吸收譜線中心頻率相同時(shí)，氣體分子會吸收光子而躍遷到高能，表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減
2、波長調(diào)制光譜技術(shù)
A) 激光器的調(diào)諧特性
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，DFB激光器能夠很好的避免其他背景氣體的交叉干擾，使檢測系統(tǒng)具有較好的測量精度，因此被廣泛的用于氣體檢測
B) 諧波檢測理論
通過對激光器的驅(qū)動電壓加高頻正弦電壓信號，從而改變電流，使輸出頻率也按正弦規(guī)律變化。通過給激光器驅(qū)動加鋸齒波電壓，使其輸出波長在氣體吸收峰兩側(cè)掃描，利用鎖相放大器調(diào)制并解調(diào)出諧波信號，進(jìn)行氣體濃度的測量。
3、吸收譜線選取的原則
在進(jìn)行氣體檢測時(shí)，對吸收譜線的選取非常關(guān)鍵，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面
（1）氣體在選定的譜線處要有較強(qiáng)的吸收峰，
（2）譜線波長對應(yīng)的激光器光源技術(shù)要相對成熟
（3）在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾，或吸收相對較弱，可以忽略
實(shí)驗(yàn)儀器
1、7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子聯(lián)激光器
QCL7400 - 7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子聯(lián)激光器是筱曉2018上半年開發(fā)出的國內(nèi)臺低功耗的QCL DFB激光.超過100nm的可調(diào)諧范圍，輸出功率大于25mw滿足客戶測試氣體傳感等工業(yè)需求。我們的激光器準(zhǔn)直輸出輸出功率穩(wěn)定，溫度波長穩(wěn)定性高比傳統(tǒng)大功耗的量子聯(lián)激光器的穩(wěn)定性高出好幾個(gè)數(shù)量。為我們中紅外測試的客戶提供了佳的測試光源。
光譜圖
波長溫度電流調(diào)諧曲線
2、5米長光程小型化Mini中紅外空芯光纖氣體吸收池
HC-5-MIR 5米長光程氣體吸收池可應(yīng)用于光譜分析檢測，堅(jiān)固，緊湊的氣室采用了中空光纖盤繞，其排列非常簡單。在中空纖維中，探測光束和分析物重疊，從而實(shí)現(xiàn)了靈敏的激光吸收光譜，并以小的樣品量進(jìn)行痕量氣體和同位素分析。
3、2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測器，帶放大，帶TEC
MCT-15-4TE放大探測器是一種熱電冷卻光電導(dǎo)HgCdTe(碲鎘汞，MCT)探測器。這種材料對2.0到15 μm的中紅外光譜波段光波敏感。半導(dǎo)體制冷片(TEC)采用一個(gè)熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30 °C，從而將熱變化對輸出信號的影響小化。為了獲得佳效果，我們推薦將輸出電纜(不附帶)與一個(gè)50歐姆的終端連接。由于探測器是AC偶合的，因此它需要一個(gè)脈沖或斬波輸入信號。 交流耦合探測器不會看到未斬波的直流信號，因?yàn)樗鼈儗χ粚?qiáng)度變化而不是強(qiáng)度的值敏感。
三、實(shí)驗(yàn)測試
本次實(shí)驗(yàn)使用7.4um QCL激光器結(jié)合5米光程空芯光纖氣體吸收池測試空氣中的H2O氣體。
系統(tǒng)示意圖
操作步驟：
1、安裝7.4umQCL激光器，準(zhǔn)直輸出到空芯光纖氣室的一端
2、空芯光纖氣室的另一端接入MCT探測器
3、用BNC轉(zhuǎn)SMA線連接探測器和7.4um QCL激光器的PREAMP置放大端
4、 用一根BNC-BNC線連接示波器和7.4um QCL激光器的DACOUT模擬輸出端
5、 用一根BNC-BNC線連接示波器和7.4um QCL激光器的TRIG OUT觸發(fā)端
6、 打開激光器和探測器
7、 調(diào)節(jié)軟件參數(shù)，在示波器上觀察二次諧波信號波形、幅值等信息
過程分析：利用電腦端的控制軟件調(diào)節(jié)電流和溫度的大小對波長進(jìn)行調(diào)諧，使激光器實(shí)現(xiàn)一定波長范圍的掃描，使輸出波長覆蓋氣體的吸收峰，鎖相放大器提供高頻正弦調(diào)制信號，使激光器輸出頻率得到正弦調(diào)制，激光器發(fā)出的光經(jīng)過氣體吸收池，通過探測器進(jìn)入PREAMP端置放大電路，再經(jīng)過鎖相放大器調(diào)制解調(diào)，通過DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2，顯示二次諧波的信號。整個(gè)過程中，我們通過調(diào)節(jié)軟件中的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)觀察輸出波形，使輸出波形優(yōu)。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1、二次諧波波形及調(diào)制參數(shù)如下：
二次諧波
軟件調(diào)制參數(shù)
2、驗(yàn)證分析：
通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫得到在波數(shù)為1354cm-1到1356cm-1范圍內(nèi)的吸收譜線如下：
吸收峰波長約為7.381um，通過對比二次諧波幅值信息，與數(shù)據(jù)庫相符合，由此驗(yàn)證是H2O氣體。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
通過測試，我們發(fā)現(xiàn)使用這套測試系統(tǒng)分析空氣中的H2O氣體時(shí)，二次諧波幅值可達(dá)150mV，說明這套測試系統(tǒng)精度很高。
產(chǎn)品清單：
| # | 名稱 | 描述 | 數(shù)量 |
| 1 | 7.4um中紅外量子聯(lián)激光器 | 峰值工作波長7.4um，輸出功率5mW，光譜寬度<1MHz， 輸出隔離度30dB，臺式規(guī)格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mm | 1 |
| 2 | 5米長光程小型化Mini中紅外空芯光纖氣體吸收池 | 有效光程5m，波長范圍3-12um，輸出發(fā)散角30mrad，操作大氣壓0.01-1atm | 1 |
| 3 | 2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測器 | 響應(yīng)波長范圍2-15um，光敏面大小2x2mm，工作帶寬10Hz-14MHz | 1 |
| 4 | U盤 | 含操作軟件，產(chǎn)品操作手冊 | 1 |
1、7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子聯(lián)激光器
2、5米長光程小型化Mini中紅外空芯光纖氣體吸收池
3、2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測器，帶放大，帶TEC
更新時(shí)間：2023/5/24 17:35:35
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