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    7.4um QCL 結合空芯光纖氣體吸收池分析系統 (實驗分析空氣中 H2O 水)  2021-08-31

    一、理論基礎

    1、比爾-朗伯定律

    一束激光穿過濃度為C的被測氣體時,當激光器的波長和被測氣體某個吸收譜線中心頻率相同時,氣體分子會吸收光子而躍遷到高能級,表現為氣體吸收波段激光光強的衰減

    2、波長調制光譜技術

    A) 激光器的調諧特性

    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律變化。通過給激光器驅動加鋸齒波電壓,使其輸出波長在氣體吸收峰兩側掃描,利用鎖相放大器調制并解調出諧波信號,進行氣體濃度的測量。

    3、吸收譜線選取的原則

    在進行氣體檢測時,對吸收譜線的選取非常關鍵,應考慮以下幾個方面

    (1)氣體在選定的譜線處要有較強的吸收峰,

    (2)譜線波長對應的激光器光源技術要相對成熟

    (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


    產品型號
    縱向   橫向
    型號 貨號 操作 名稱
    TDLAS-HC-FC-7.4-H2O H80060042 7.4um QCL 結合空芯光纖氣體吸收池分析系統 (實驗分析空氣中 H2O 一氧化二氫 水)   [PDF] 產品清單 7.4um中紅外量子級聯激光器 ,中空光纖式氣體吸收池 光程范圍:0.1至5m, 2-15um碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器 8-10周
    通用參數

       實驗儀器


    1、7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子級聯激光器


    QCL7400 - 7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子級聯激光器是筱曉2018上半年開發出的國內首臺低功耗的QCL DFB激光.超過100nm的可調諧范圍,輸出功率大于25mw滿足客戶測試氣體傳感等工業需求。

    我們的激光器準直輸出輸出功率穩定,溫度波長穩定性極高比傳統大功耗的量子級聯激光器的穩定性高出好幾個數量級。為我們中紅外測試的客戶提供了最佳的測試光源。



    光譜圖




    2、中空光纖式氣體吸收池



    HC-5-FC-SMA中空光纖式氣體吸收池包括光學窗口、光纖端口和氣體端口。通過其中兩個模塊,您可以將中空光纖轉化為臺式氣體吸收池,用于吸收光譜或基準波長應用,只需更換不同路徑長度的光纖即可。


    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。半導體制冷片(TEC)采用一個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最小化。為了獲得最佳效果,我們推薦將輸出電纜(不附帶)與一個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,因為它們對只對強度變化而不是強度的絕對值敏感。三、實驗測試    本次實驗使用7.4um QCL激光器結合空心光纖氣體吸收池測試空氣中的H2O氣體。




    系統示意圖

    操作步驟:

    1、安裝7.4umQCL激光器,準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SMA線連接探測器和7.4um QCL激光器的PREAMP前置放大端

    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觸發端

    6、 打開激光器和探測器

    7、 調節軟件參數,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節電流和溫度的大小對波長進行調諧,使激光器實現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制信號,使激光器輸出頻率得到正弦調制,激光器發出的光經過氣體吸收池,通過探測器進入PREAMP端前置放大電路,再經過鎖相放大器調制解調,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。整個過程中,我們通過調節軟件中的各項參數,同時觀察輸出波形,使輸出波形最優。


    四、實驗結果


    1、二次諧波波形及調制參數如下:





    2、驗證分析:通過查詢Hitran數據庫得到在波數為1354cm-1到1356cm-1范圍內的吸收譜線如下:





    吸收峰波長約為7.381um,通過對比二次諧波幅值信息,與數據庫相符合,由此驗證是H2O氣體。

    3、實驗結論:通過測試,我們發現使用這套測試系統分析空氣中的H2O氣體時,二次諧波幅值可達872mV,說明這套測試系統精度很高。 


    產品清單:


    #

    名稱

    描述

    數量

    1

    7.4um中紅外量子級聯激光器

    峰值工作波長7.4um,輸出功率5mW,光譜寬度<1MHz,

    輸出隔離度30dB,臺式規格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mm

    1

    2

    中空光纖式氣體吸收池

    極其簡單和穩固的對齊方式,波長范圍:紫外到長波紅外,

    光程范圍:0.1至5m,低樣品量:<10mL,體積小巧;靈活布局

    1

    3

    2-15um碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器

    響應波長范圍2-15um,光敏面大小2x2mm,工作帶寬10Hz-14MHz

    1

    4

    U盤

    含操作軟件,產品操作手冊

    1


    1、7.4um低功耗臺式DFB-QCL中紅外量子級聯激光器

    http://www.myhomemanage.com/?a=cp3&id=120

    2、中空光纖式氣體吸收池

    http://www.myhomemanage.com/?a=cp3&id=575

    3、2-15um碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器,帶放大,帶TEC

    http://www.myhomemanage.com/?a=cp3&id=418












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