量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）在痕量氣體檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，主要是自帶的中紅外BUFF，讓它妥妥出了圈。不過(guò)圈是出了，但舞到底怎樣，還是要拉出來(lái)跳跳才行。

濱松QCL產(chǎn)品

今天就給大家?guī)?lái)了濱松QCL在N₂O、CO、¹³CO₂/¹²CO₂、NH₃、CO₂幾種氣體檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，還有QCL線寬的測(cè)試。啥都不說(shuō)了，話都在下面的案例里啦~

大氣污染物監(jiān)測(cè)

# N₂O & CO測(cè)量

在大氣監(jiān)測(cè)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中的“氧化亞氮（N₂O）”和“一氧化碳（CO）”這兩種物質(zhì)，可以更好地了解人類活動(dòng)（如燃燒）對(duì)氣候變化的影響。其中， N₂O是第三大人為溫室氣體，它引起的溫室效應(yīng)，大概是CO₂的300倍。大氣中N₂O濃度約325ppbv，而且呈逐年遞增的趨勢(shì)；CO則是一種與燃燒有關(guān)的人類活動(dòng)的重要示蹤劑，比如化石燃料的燃燒，大氣中CO濃度約為40ppbv~ppmv量級(jí)。

美國(guó)普林斯頓大學(xué)的MarkA. Zondlo等人采用濱松TE制冷HHL封裝CW DFB型QCL ，搭建了一個(gè)N₂O和CO氣體傳感系統(tǒng)。

N₂O和CO氣體傳感系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中所使用的QCL工作波長(zhǎng)為4.54 um，15cm長(zhǎng)的氣體吸收池實(shí)現(xiàn)16m光程用于測(cè)量大氣中N₂O和CO?；诓ㄩL(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)二次和四次諧波吸收光譜。實(shí)驗(yàn)室條件10Hz響應(yīng)頻率下實(shí)現(xiàn)了0.15ppbv-N₂O和0.36ppbv-CO的檢出限。該傳感系統(tǒng)已開(kāi)始在戶外長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（a）N₂O和CO峰值

（b）CO/N₂O濃度增加相關(guān)性

這是基于QCL開(kāi)放光路的小型N₂O傳感器，功耗低、體積小、性能穩(wěn)定，方便攜帶，也易于校準(zhǔn)和維護(hù)，便于戶外測(cè)量。

該課題組還對(duì)于濱松QCL和某T公司QCL的光學(xué)噪聲進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，通過(guò)以下的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，濱松的噪聲水平遠(yuǎn)低于T公司。

濱松（圖左）與T公司（圖右）QCL光學(xué)噪聲對(duì)比

相關(guān)論文：

Tao L, Sun K, Khan M A,et al. Compact and portable open-path sensor for simultaneous measurements ofatmospheric N_2O and CO using a quantum cascade laser[J]. Optics Express, 2012,20(27):28106.

呼吸診斷

# ¹³CO₂/¹²CO₂測(cè)量

測(cè)量二氧化碳（CO₂）同位素比值已被用于許多領(lǐng)域，如油氣勘探、大氣、火山研究和醫(yī)學(xué)診斷。而在醫(yī)學(xué)診斷中，呼出氣是不同疾病的實(shí)時(shí)指示器，大家應(yīng)該對(duì)下面這個(gè)氣場(chǎng)景不陌生吧：

體檢中鉚足勁吹氣的你

圖片來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)

我們都知道，這是一種檢測(cè)幽門(mén)螺旋桿菌的方式。當(dāng)人體攝入¹³C標(biāo)記的尿素后，呼出¹³CO₂濃度的增加，與此種菌類的存在有一定的關(guān)系。此外，呼氣中¹³C值，還可能是與內(nèi)毒素血癥的急性期反應(yīng)相關(guān)的惡病質(zhì)的實(shí)時(shí)生物標(biāo)記物。在醫(yī)學(xué)診斷中，通常要求快速實(shí)現(xiàn)精度為0.5~1‰的¹³C測(cè)定。

針對(duì)部分疾病，目前已有許多基于 TDLAS 技術(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法，且效果顯著。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Vasili L.Kasyutich采用濱松TE制冷連續(xù)型DFB QCL（工作波長(zhǎng)2308cm-1），以及54.2cm長(zhǎng)的氣體吸收池，用于¹³CO₂/¹²CO₂氣體的測(cè)量。連續(xù)80次積分時(shí)間1s，測(cè)量精度達(dá)到了0.12‰（120ppmv），測(cè)量結(jié)果我們來(lái)看看：

呼吸氣¹²CO₂測(cè)量結(jié)果

基于濱松4.3μm波長(zhǎng)QCL的¹³CO₂/¹²CO₂同位素比值測(cè)量示意圖

相關(guān)論文

Kasyutich V L , Martin PA . 13CO2/12CO2 isotopic ratio measurements with a continuous-wave quantumcascade laser in exhaled breath[J]. Infrared Physics & Technology, 2012,55(1):60-66. 

# NH₃測(cè)量

人體呼吸中含有約500種不同的化學(xué)物質(zhì)，通常處于超低濃度水平，可作為識(shí)別和監(jiān)測(cè)人類疾病或健康狀況的生物標(biāo)志物。其中，監(jiān)測(cè)呼氣中NH₃的濃度水平，則是一種快速、無(wú)創(chuàng)的肝腎疾病診斷方式。

美國(guó)萊斯大學(xué)的FrankK. Tittel等人就搭建了一套這樣的測(cè)試系統(tǒng)，其中采用到了濱松TE制冷連續(xù)型DFB QCL（工作波長(zhǎng)10.34 μm）。該系統(tǒng)包括一個(gè)參考池，在130Torr氣壓下填充2000 ppmv NH₃:N₂混合物，用于吸收線鎖定。時(shí)間分辨率為1s時(shí)Z小檢出限（1σ）為6ppbv。

氨呼吸傳感器示意圖

相關(guān)論文

Tittel F K , Lewicki R ,Dong L , et al. Real time detection of exhaled human breath using quantumcascade laser based sensor technology[J]. Proceedings of Spie the InternationalSociety for Optical Engineering, 2012, 8223:9.

CO₂測(cè)量

采用了濱松室溫工作CW DFB QCL （工作波長(zhǎng)4.33 μm），意大利巴里理工大學(xué)和濱松ZY研究所搭建了一套高靈敏度的CO₂測(cè)量系統(tǒng)。利用石英增強(qiáng)光聲光譜（QEPAS）技術(shù)，結(jié)合高精度腔式傳感器平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)痕量氣體探測(cè)，即腔內(nèi)QEPAS（I-QEPAS）。

基于I-QEPAS技術(shù)CO₂測(cè)量示意圖

該方案將QCL耦合到蝶形光腔中，檢測(cè)2311.105cm-1處P(42)CO₂吸收線，在50mbar氣壓下通過(guò)20s積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)了300pptv的Z小檢測(cè)限。

基于I-QEPAS（紅色曲線）和QEPAS技術(shù)（黑色曲線）的阿倫方差對(duì)比

相關(guān)論文

Patimisco P, Borri S,Galli I, et al. High finesse optical cavity coupled with a quartz-enhancedphotoacoustic spectroscopic sensor[J]. Analyst, 2015, 140(3):736-743.

濱松QCL線寬測(cè)試

“窄線寬”是濱松QCL一個(gè)很重要的性能加分項(xiàng)，在實(shí)際使用中有怎樣的展現(xiàn)呢？意大利國(guó)家光學(xué)研究所INO-CNR和濱松ZY研究所一起，對(duì)室溫工作峰值波長(zhǎng)4.36um的濱松DFB QCL頻率噪聲功率譜密度進(jìn)行了測(cè)量。

濱松DFB QCL頻率噪聲功率譜密度測(cè)量示意圖

通過(guò)計(jì)算，得到了260Hz的本征理論線寬值（市面上大多數(shù)DFB QCL線寬值為MHz量級(jí)或更高）。測(cè)量系統(tǒng)中，光束經(jīng)非球面ZnSe透鏡準(zhǔn)直后，進(jìn)入一個(gè)10 cm長(zhǎng)的氣體吸收池測(cè)量CO₂氣體直接吸收光譜，吸收信號(hào)由HgCdTe探測(cè)器和實(shí)時(shí)FFT光譜儀進(jìn)行處理。

濱松DFB QCL頻率噪聲功率譜密度高頻部分測(cè)量結(jié)果

今天我們快速地為大家過(guò)了5個(gè)濱松QCL的實(shí)際應(yīng)用案例，想要進(jìn)一步了解每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，可以根據(jù)提供的題目去查找論文原文來(lái)閱讀。而QCL的應(yīng)用不止于此，總體說(shuō)來(lái)，以下這些應(yīng)用都可能是它的目標(biāo)領(lǐng)域：

國(guó)防

IRCM（紅外熱輻射干擾系統(tǒng)）、目標(biāo)指示/目標(biāo)照射、遠(yuǎn)距離爆炸探測(cè)、毒氣偵測(cè)、集裝箱檢查

醫(yī)學(xué)

氣氨檢測(cè)（肝腎疾?。?、葡萄糖檢測(cè)、呼吸診斷、麻醉檢測(cè)、醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)

環(huán)境空氣質(zhì)量、碳排放監(jiān)測(cè)、海洋船舶排放遙測(cè)、煙氣排放監(jiān)測(cè)、汽車尾氣排放遙測(cè)

工業(yè)檢測(cè)

天然氣含量監(jiān)測(cè)、泄露檢測(cè)、石油化工監(jiān)測(cè)、制藥工藝質(zhì)量控制

半導(dǎo)體行業(yè)

設(shè)備氣體監(jiān)測(cè)控制、晶圓傳遞、原位污質(zhì)監(jiān)測(cè)、內(nèi)部氣體污染監(jiān)測(cè)

濱松QCL應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)

濱松的激光技術(shù)衍生自與日本大阪大學(xué)合作的激光核聚變研究，目前擁有多種類的半導(dǎo)體、固體激光器及其相關(guān)產(chǎn)品。QCL就是其中一員，可提供CW（連續(xù)型）QCL器件及模塊，近年還推出了波長(zhǎng)可調(diào)諧的EC-QCL模塊、低成本蝶形封裝QCL、QCL一體化功能模塊等新品。