近日,，來自山東師范大學的研究團隊發(fā)表了《基于4.5 μm量子級聯(lián)激光器的開放光路N2O氣體檢測系統(tǒng)研究》的研究成果,。

項目背景

溫室氣體(Greenhouse Gas，GHG)的溫室效應引發(fā)全球變暖和氣候變化,，這使得全球生態(tài)環(huán)境面臨著很大的威脅,。一氧化二氮（N2O）是全球六大GHG之一，相較于人們熟知的二氧化碳（CO2）,，N2O含量相對較低,，但其全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP）卻是CO2的310倍左右，此外,，它對臭氧（O3）也有一定的破壞作用,。因此，有效探測大氣中的N2O含量及其濃度變化趨勢是至關重要的,。

N2O氣體分子的吸收譜帶主要集中在中紅外區(qū)域,，需要選用中紅外光源對N2O氣體進行探測,。近年來,，隨著波長可調諧、可室溫工作的量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）的研發(fā)技術日益成熟,，將其與激光吸收光譜技術相結合,，可以實現(xiàn)對氣體的高分辨率、高靈敏度探測,，被廣泛應用于氣體遙感探測領域,。目前，結合激光吸收光譜技術及緊湊型多通道氣室（MGC）,，可實現(xiàn)對氣體分子的快速響應,，并達到較低的檢測限，但系統(tǒng)為封閉式光學路徑,，限制了在戶外環(huán)境中持續(xù)檢測的便攜性,、實際適用性和空間覆蓋范圍,。因此，開放式光學路徑的設計,，對于戶外大范圍環(huán)境中氣體濃度的實時檢測是十分必要的,。

系統(tǒng)搭建

寧波海爾欣光電科技有限公司為該項目提供了HPQCL-Q™ 標準量子級聯(lián)激光發(fā)射頭、QC750-Touch™ 量子級聯(lián)激光屏顯驅動器,、HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞（MCT）光電探測器,。

HPQCL-Q™ 標準量子級聯(lián)激光發(fā)射頭其波數的可調諧范圍是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1，最大輸出光功率可達 50 mW,。 為了充分發(fā)揮 QCL 的波長可調諧特性,，結合激光器驅動，對 QCL 的工作溫度以及電流進行設置,，進而得到系統(tǒng)中所需要的激光器發(fā)射中心波長,。

QC750-Touch™ 量子級聯(lián)激光屏顯驅動器結合觸摸屏的顯示功能，極大的方便了用戶進行操作,。 通過激光驅動器對注入激光器的電流進行更改,，分析發(fā)射波數與驅動電流的相關性，調節(jié)驅動電流大小,，分析在300 mA至360 mA的電流變化范圍內,，激光器波數隨驅動電流變化的響應曲線?？梢缘玫?，隨著電流逐漸增大，激光器的波數是逐漸減小的,，對應的輸出波長是逐漸增大的,，其響應曲線可以表示為：y = -0.0271x + 2212.972。

同理,，對激光器發(fā)射波數與溫度的相關性進行分析,，對溫度進行調節(jié)，使激光器在30 °C至45 °C之間工作,，分析激光器中心波數隨溫度變化的響應曲線,。可以得到,，隨著溫度逐漸升高,，激光器的波數是逐漸減小的，對應的輸出波長是逐漸增大的,，其響應曲線可以表示為：y = -0.1716x + 2210.216,。

綜上所述，根據所選用的N2O吸收譜線波數為2203.7333cm-1，因此,，所對應的QCL 中心電流和工作溫度應分別設置為330 mA和36.0 °C,。

HPPD-M-B 前置放大制冷一體型碲鎘汞（MCT）光電探測器的感光面積為1×1 mm2，探測范圍較為廣泛,，可達到 2μm-14μm,，滿足本系統(tǒng)探測的需求。由于探測器接收到的回波信號較為微弱,，在對數據進行處理前,，需要對信號進行放大，而該型號的探測器內部設計有前置放大器,，以便后續(xù)可直接進行諧波解調和濃度反演等數據處理,，同時也對系統(tǒng)的設計進行了簡化。

結論與創(chuàng)新點：使用該檢測系統(tǒng)對大氣中 N2O 濃度進行實時檢測是可行的,。

(1) 選用QCL作為發(fā)射光源,。QCL 具有波長調諧范圍廣、輸出功率較高,、并且可以在室溫條件下工作的出色性能,。選取譜線位置為 2203.73 cm-1，能有效避免其他氣體的干

擾,，實現(xiàn)對N2O氣體分子的高靈敏度檢測,。

(2) 為了避免MGC在遠程或戶外的大范圍環(huán)境檢測研究中的限制性，選用離軸拋物面反射鏡和角反射鏡,，搭建了開放式光學路徑的N2O氣體檢測系統(tǒng),。將大部分光學元件安裝在一個光學平臺上，實現(xiàn)了系統(tǒng)的緊湊,、便攜特性,，并滿足開放式、大范圍環(huán)境監(jiān)測的需求,。

(3) 經驗證,，當積分時間為1s時，N2O檢測限為1.1 ppb,，當積分時間延長至95 s時,，系統(tǒng)達到檢測下限為0.14 ppb,。結合實驗結果,，表征了系統(tǒng)的高精確度、高靈敏度,、低檢測限的性能,，并且滿足對大氣環(huán)境中N2O濃度測量的標準。

參考文獻：

張玉容，趙曰峰《基于4.5 μm量子級聯(lián)激光器的開放光路 N2O氣體檢測系統(tǒng)研究》