CN117664910A - 基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，该装置包括光源模块、测量模块及数据采集和处理模块，光源模块包括信号发生器、激光控制器、量子级联激光器及光学调整镜组；测量模块包括气体吸收池和光电探测器；其中，信号发生器用于产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，激光控制器用于接收电流驱动信号进而驱动量子级联激光器，以控制量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，最终对待测气体的测量信号进行解调以确定待测气体浓度。本发明能够在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，进而可以去除外部冷却系统，有利于激光吸收光谱气体传感器的小型化和轻量化，促进其被更为广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析检测领域，特别是涉及一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法。
背景技术
激光吸收光谱技术作为一种高选择性、快速响应、非接触的光学测量手段，已经被广泛应用在各种气体传感领域。它利用激光器的波长调谐特性，通过注入周期性的连续电流信号使激光器实现输出波长的扫描。激光器扫描的波长覆盖气体的吸收特征谱线后获取其光谱信号，进而反演待测气体浓度信息。
对于待测气体浓度较高的应用场景，可以采用直接吸收的光谱检测方法。直接吸收光谱是利用上述激光器波长调谐特性，一般采用三角波或锯齿波等连续电流信号驱动激光器进行波长扫描。入射激光被气体吸收后采集透过激光的光强变化并与分子吸收谱线数据库内的数据进行比对迭代，从而直接推算出气体的绝对浓度信息。可见，直接吸收光谱检测法是一种免标定的方法，但极容易受到背景噪声的干扰。
而对于气体浓度较低的测量场景，通常采用波长调制的方法提高探测的灵敏度。波长调制技术通过将高频正弦信号叠加在低频的扫描信号上，达到对气体吸收特征的高频调制从而可以减小低频干扰以提高信噪比。经过解调后提取的二次谐波信号与气体的浓度值呈正相关关系。
量子级联激光器具有结构紧凑、激光功率高、可常温运行等优势，且工作在中红外波段，气体分子吸收谱线最强。因此，相比于常规使用的近红外激光器，中红外量子级联激光器作为吸收光谱测量的光源可实现更高灵敏度的气体探测。随着近年来量子级联激光器的快速发展，中红外激光吸收光谱技术已经在大气环境监测、生物医疗检测、工业过程控制等场景得到了广泛的应用。
量子级联激光器通常借助半导体致冷片对芯片温度进行控制，但连续高电流驱动下激光器芯片产热较高，该热量被半导体致冷片搬运至其热侧，因此需要通过外部的主动冷却方式耗散热量，一般采用强制风冷或水冷的方式实现。而外部强制冷却的附属装置相对笨重，不利于传感装置的集成和轻量化设计。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，以在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，利于气体探测装置的小型化和轻量化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，包括光源模块、测量模块以及数据采集和处理模块，所述光源模块和所述数据采集和处理模块分别耦合到所述测量模块；所述光源模块包括依次连接的信号发生器、激光控制器、量子级联激光器以及沿光路设置的光学调整镜组；所述测量模块包括沿光路设置的气体吸收池和光电探测器；所述数据采集和处理模块连接所述信号发生器和所述光电探测器；
其中，所述信号发生器用于产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器用于接收所述电流驱动信号进而驱动所述量子级联激光器，以控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经所述光学调整镜组进入所述气体吸收池，经所述气体吸收池中的气体吸收后的激光由所述光电探测器接收，所述光电探测器用于将接收的光信号转换为电信号，作为测量信号输出给所述数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块用于根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述测量信号进行解调获得谐波信号，并选取二次谐波信号作为待测气体浓度的表征。
进一步地，所述激光控制器包括电流控制单元和温度控制单元；所述温度控制单元用于设定所述量子级联激光器内置的半导体制冷片的温度，并根据待测气体的吸收谱线选择所述量子级联激光器出射激光波长；所述电流控制单元用于根据所述信号发生器产生的电流驱动信号来驱动所述量子级联激光器，以控制出射激光的波长调制。
进一步地，所述量子级联激光器为连续波输出的分布反馈式量子级联激光器。
进一步地，还包括带翅片的热沉基座，所述量子级联激光器安装于所述热沉基座上。
进一步地，所述光学调整镜组包含若干反射镜和透镜，用于调节出射激光的方向和收缩光斑尺寸。
进一步地，所述气体吸收池为包括两个反射镜的多次反射池。
进一步地，所述数据采集和处理模块包括数据采集卡和与所述数据采集卡相连的处理单元，所述数据采集卡的输入端分别与所述信号发生器和所述光电探测器相连。
进一步地，所述低频脉冲电流信号的占空比可调节但不超过20％，脉冲内最小电流值大于激光器出光阈值电流，同时最大电流值小于激光器的极限电流，优选地，脉冲外最小电流值稍高于0。
进一步地，所述高频正弦信号的幅值根据待测气体吸收线的光谱宽度来选择，以实现最佳探测信噪比。
一种基于量子级联激光器的痕量气体探测方法，使用所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置进行痕量气体探测，所述方法包括：
所述信号发生器产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器接收所述电流驱动信号，作为间歇性调制信号来控制所述量子级联激光器的注入电流，从而控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经光路沿程的待测气体吸收后被所述光电探测器接收转换为电信号，所述数据采集和处理模块根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述电信号进行解调滤波分析，得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号值，并利用二次谐波信号值确定被测气体浓度。
进一步地，所述方法还包括：
调整施加的高频正弦信号的幅值，使得所述二次谐波信号的峰峰值达到最大，从而确定为最佳调制电流值；
进一步地，所述方法还包括：
在气体吸收池内通入不同浓度的待测气体以及无吸收的氮气，获得二次谐波信号和气体浓度的线性关联式，即标定曲线；以及
抽取实际场景下的待测气体样本进入所述气体吸收池，根据所述标定曲线，反演所测气体的浓度值。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，能够实现激光器产热量的显著下降，进而去除外部冷却系统。本发明通过基于间歇性调制的量子级联激光器来获得激光吸收光谱，可以在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，有利于激光吸收光谱气体传感器的小型化和轻量化，促进其被更为广泛应用。
总体而言，与现有的连续激光吸收光谱的痕量气体检测方法相比，本发明的基于间歇性调制量子级联激光器痕量气体探测装置和方法主要具有以下有益效果：
1、本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与直接吸收检测技术相比，可显著提高探测灵敏度；
2、本发明采用基于低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的非连续波(intermittent continuous wave，iCW)信号作为驱动电流，利用量子级联激光器的啁啾效应实现出射激光的频率扫描，相比常规使用的连续波(continuous wave，CW)电流信号扫描，可实现更宽的光谱覆盖范围(一般为两倍以上)，从而可以对吸收谱线较宽的气体分子进行探测；
3、本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与现有技术相比，最大优势在于将激光器产热量限制在脉冲时间范围内，因此可以极大降低激光器的产热量，从而移除冗杂的外部强制冷却模块(一般为风冷或水冷)，有利于实现基于激光吸收光谱方法传感器的轻量化和微型化设计，适用于复杂现场环境的测量需求。
附图说明
图1为本发明实施例的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置的结构框图；
图2是本发明实施例的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置与方法采用的调制信号的示意图；
图3是本发明实施例的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置与方法所测得的浓度为20ppm的一氧化氮的二次谐波信号示意图。
附图标记：
1.信号发生器
2.激光控制器
3.量子级联激光器
4.光学调整镜组
5.气体吸收池
6.光电探测器
7.数据采集卡
8.计算机
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1，本发明实施例提供一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，包括光源模块、测量模块以及数据采集和处理模块，所述光源模块和所述数据采集和处理模块分别耦合到所述测量模块；所述光源模块包括依次连接的信号发生器1、激光控制器2、量子级联激光器3以及沿光路设置的光学调整镜组4；所述测量模块包括沿光路设置的气体吸收池5和光电探测器6；所述数据采集和处理模块连接所述信号发生器1和所述光电探测器6。其中，所述信号发生器1用于产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器2用于接收所述电流驱动信号进而驱动所述量子级联激光器3，以控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经所述光学调整镜组4进入所述气体吸收池5，经所述气体吸收池5中的气体吸收后的激光由所述光电探测器6接收，所述光电探测器6用于将接收的光信号转换为电信号，作为测量信号输出给所述数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块用于根据所述信号发生器1输入的激光器驱动参考信号对所述测量信号进行解调获得谐波信号，并选取二次谐波信号作为待测气体浓度的表征，最终确定待测气体的浓度。
本发明实施例还提供一种基于量子级联激光器的痕量气体探测方法，使用所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置进行痕量气体探测，所述方法包括：所述信号发生器1产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器2接收所述电流驱动信号，作为间歇性调制信号来控制所述量子级联激光器3的注入电流，从而控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经光路沿程的待测气体吸收后被所述光电探测器6接收转换为电信号，所述数据采集和处理模块根据所述信号发生器1输入的激光器驱动参考信号对所述电信号进行解调滤波分析，得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号值，并利用二次谐波信号值确定被测气体浓度。
本发明实施例提供的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，能够在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，进而可以去除外部冷却系统，有利于激光吸收光谱气体传感器的小型化和轻量化，促进其被更为广泛应用。具体而言：本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与直接吸收检测技术相比，可显著提高探测灵敏度；本发明的痕量气体探测装置和方法采用基于低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的非连续波(intermittent continuous wave，iCW)信号作为驱动电流，利用量子级联激光器的啁啾效应实现出射激光的频率扫描，相比常规使用的连续波(continuous wave，CW)电流信号扫描，可实现更宽的光谱覆盖范围(一般为两倍以上)，从而可以对吸收谱线较宽的气体分子进行探测；本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与现有技术相比，最大优势在于将激光器产热量限制在脉冲时间范围内，因此可以极大降低激光器的产热量，从而移除冗杂的外部强制冷却模块(一般为风冷或水冷)，有利于实现基于激光吸收光谱方法传感器的轻量化和微型化设计，适用于复杂现场环境的测量需求。
以下进一步结合附图描述本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明实施例的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测装置包括光源模块、测量模块、数据采集和处理模块。
光源模块包括信号发生器1，激光控制器2，量子级联激光器3，光学调整镜组4。选择激光器为连续波输出的分布反馈式量子级联激光器3，其中心波长对应5.2微米附近一氧化氮分子吸收线。激光器安装于带翅片的铝制热沉基座上。
信号发生器1用于产生低频脉冲和高频调制相叠加的电流驱动信号，如图2所示。低频脉冲电流信号的占空比可调节，但不超过20％。脉冲内最小电流值大于激光器出光阈值电流，同时最大电流值小于激光器的极限电流，脉冲外最小电流值稍高于0。高频正弦信号的幅值根据待测气体吸收线的光谱宽度选择，以实现最佳探测信噪比。激光控制器2包括电流控制单元和温度控制单元，温度控制单元用于设定激光器内置半导体制冷片温度，根据待测气体的吸收谱线选择激光器出射激光波长。电流控制单元用于接收信号发生器产生的电流信号进而驱动激光器，控制出射激光的波长调制。光学调整镜组4包含若干反射镜和透镜，用于调节出射激光方向和收缩光斑尺寸。
测量模块包括气体吸收池5和光电探测器6。经过光学调整镜组4调整后的激光光束以合适角度进入气体吸收池5，所述的气体吸收池5可以采用由两个反射镜组成的多次反射池，激光在池内的多次反射可提高气体吸收光程，并且其光程可按照所须达到的灵敏度和信号质量进行灵活选择。经气体吸收后的激光离开吸收池被光电探测器6接收，光电探测器6通过光电效应将接收的光信号转换为电信号，并输出给后端的数据采集和处理模块。
数据采集和处理模块包括数据采集卡7和计算机8。数据采集卡7的输入端分别与信号发生器1和光电探测器6相连。数据采集卡7内置锁相放大器，利用信号发生器1输入的激光器驱动参考信号和光电探测器6输入的测量信号，进行解调获得谐波信号。选取二次谐波信号作为最终待测气体浓度的表征，所得到的二次谐波信号被记录并送入计算机8进行数字滤波、背景扣除以及提取二次谐波的峰峰值等数据处理分析。
图3示出了本发明的基于间歇性调制量子级联激光器痕量气体探测方法所测得的20ppm一氧化氮解调获得的二次谐波信号。特别地，选取右侧信号峰峰值作为与待测气体浓度相关联的信号值。
在一些实施例中，一种基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体光谱探测方法，包括：信号发生器输出一个低频脉冲和高频正弦相叠加的信号，该信号输入给激光控制器。激光控制器采用该间歇性调制信号控制量子级联激光器的注入电流，从而调制激光器的出射激光波长。调制后的激光经光路沿程的待测气体吸收后被光电探测器接收转换为电信号，该电信号输入数据采集卡和处理模块，经过信号解调滤波分析后，得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号值。
在优选的实施例中，所述探测方法可包括如下步骤：
(1)首先根据待测气体的种类，从高分辨率的分子吸收光谱数据库中选择相对应的中红外波段的吸收谱线(ν0)，选择的谱线满足吸收强度高、受其它气体干扰小等要求；
(2)针对已确定的目标气体的吸收谱线，选择能发射相应波长的量子级联激光器作为探测光源；
(3)调节激光控制器(包括电流控制单元和温度单元)的参数，其中电流控制单元由信号发生器产生的脉冲信号触发(占空比不超过20％)。脉冲内电流大于激光器出光阈值电流，同时小于激光器的极限电流；脉冲外电流稍高于0，确保激光器安全运行。最终，量子级联激光器的输出激光波长在脉冲时间内覆盖目标气体的吸收谱线(ν0)；
(4)信号发生器产生低频脉冲和高频(f)正弦的叠加信号输入激光控制器，对量子级联激光器的出光波长进行间歇性调制。该叠加后的信号同样保证脉冲内最小电流值大于激光器出光阈值电流，同时最大电流值小于激光器的极限电流，脉冲外最小电流值稍高于0。
(5)调制后量子级联激光器的出射激光经过光学镜组调整，以合适角度进入气体吸收池，并形成预设的多次反射模式，以增加气体吸收的光程；
(6)吸收池内多次反射的中红外激光在光程上被待测气体吸收后的激光光强信号被光电探测单元采集，并送入数据采集和分析单元，解调获得二次谐波信号(Y2f)；
(7)调整施加的正弦调制电流信号的幅值，使得步骤(7)中所得的二次谐波信号的峰峰值达到最大，从而确定为最佳调制电流值；
(8)在气体吸收池内通入不同浓度的待测气体以及无吸收的氮气，获得二次谐波信号和气体浓度的线性关联式，即标定曲线；
(9)抽取实际场景下的待测气体样本进入吸收池，根据步骤(8)的标定曲线，反演所测气体的浓度值。
本发明可以实现该类激光器低散热工作模式下的极低浓度气体的快速测量，从而广泛应用于大气污染、工业过程控制和动力装置尾气排放等场景的痕量气体检测。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，包括光源模块、测量模块以及数据采集和处理模块，所述光源模块和所述数据采集和处理模块分别耦合到所述测量模块；所述光源模块包括依次连接的信号发生器、激光控制器、量子级联激光器以及沿光路设置的光学调整镜组；所述测量模块包括沿光路设置的气体吸收池和光电探测器；所述数据采集和处理模块连接所述信号发生器和所述光电探测器；
其中，所述信号发生器用于产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器用于接收所述电流驱动信号进而驱动所述量子级联激光器，以控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经所述光学调整镜组进入所述气体吸收池，经所述气体吸收池中的气体吸收后的激光由所述光电探测器接收，所述光电探测器用于将接收的光信号转换为电信号，作为测量信号输出给所述数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块用于根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述测量信号进行解调获得谐波信号，并选取二次谐波信号作为待测气体浓度的表征。
2.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述激光控制器包括电流控制单元和温度控制单元；所述温度控制单元用于设定所述量子级联激光器内置的半导体制冷片的温度，并根据待测气体的吸收谱线选择所述量子级联激光器出射激光波长；所述电流控制单元用于根据所述信号发生器产生的电流驱动信号来驱动所述量子级联激光器，以控制出射激光的波长调制。
3.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述量子级联激光器为连续波输出的分布反馈式量子级联激光器。
4.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，还包括带翅片的热沉基座，所述量子级联激光器安装于所述热沉基座上。
5.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述光学调整镜组包含若干反射镜和透镜，用于调节出射激光的方向和收缩光斑尺寸。
6.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述气体吸收池为包括两个反射镜的多次反射池。
7.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述数据采集和处理模块包括数据采集卡和与所述数据采集卡相连的处理单元，所述数据采集卡的输入端分别与所述信号发生器和所述光电探测器相连。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述低频脉冲电流信号的占空比可调节但不超过20％，脉冲内最小电流值大于激光器出光阈值电流，同时最大电流值小于激光器的极限电流，优选地，脉冲外最小电流值稍高于0。
9.根据权利要求1至7任一项所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，其特征在于，所述高频正弦信号的幅值根据待测气体吸收线的光谱宽度来选择，以实现最佳探测信噪比。
10.一种基于量子级联激光器的痕量气体探测方法，其特征在于，使用根据权利要求1至9任一项所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置进行痕量气体探测，所述方法包括：
所述信号发生器产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器接收所述电流驱动信号，作为间歇性调制信号来控制所述量子级联激光器的注入电流，从而控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经光路沿程的待测气体吸收后被所述光电探测器接收转换为电信号，所述数据采集和处理模块根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述电信号进行解调滤波分析，得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号值，并利用二次谐波信号值确定被测气体浓度；
优选地，所述方法还包括：
调整施加的高频正弦信号的幅值，使得所述二次谐波信号的峰峰值达到最大，从而确定为最佳调制电流值；
优选地，所述方法还包括：
在气体吸收池内通入不同浓度的待测气体以及无吸收的氮气，获得二次谐波信号和气体浓度的线性关联式，即标定曲线；以及
抽取实际场景下的待测气体样本进入所述气体吸收池，根据所述标定曲线，反演所测气体的浓度值。
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