可调谐气体检测激光器

近日，来自山东师范大学的研究团队发表了《基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路N2O气体检测系统研究》的研究成果。项目背景温室气体(Greenhouse Gas，GHG)的温室效应引发全球变暖和气候变化，这使得全球生态环境面临着很大的威胁。一氧化二氮（N2O）是全球六大GHG之一，相较于人们熟知的二氧化碳（CO2），N2O含量相对较低，但其全球变暖潜能值（Global Warming Potential, GWP）却是CO2的310倍左右，此外，它对臭氧（O3）也有一定的破坏作用。因此，有效探测大气中的N2O含量及其浓度变化趋势是至关重要的。N2O气体分子的吸收谱带主要集中在中红外区域，需要选用中红外光源对N2O气体进行探测。近年来，随着波长可调谐、可室温工作的量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）的研发技术日益成熟，将其与激光吸收光谱技术相结合，可以实现对气体的高分辨率、高灵敏度探测，被广泛应用于气体遥感探测领域。目前，结合激光吸收光谱技术及紧凑型多通道气室（MGC），可实现对气体分子的快速响应，并达到较低的检测限，但系统为封闭式光学路径，限制了在户外环境中持续检测的便携性、实际适用性和空间覆盖范围。因此，开放式光学路径的设计，对于户外大范围环境中气体浓度的实时检测是十分必要的。系统搭建宁波海尔欣光电科技有限公司为该项目提供了HPQCL-Q&trade 标准量子级联激光发射头、QC750-Touch&trade 量子级联激光屏显驱动器、HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器。HPQCL-Q&trade 标准量子级联激光发射头其波数的可调谐范围是 2203.7 cm-1~2204.1 cm-1，最大输出光功率可达 50 mW。 为了充分发挥 QCL 的波长可调谐特性，结合激光器驱动，对 QCL 的工作温度以及电流进行设置，进而得到系统中所需要的激光器发射中心波长。QC750-Touch&trade 量子级联激光屏显驱动器结合触摸屏的显示功能，极大的方便了用户进行操作。 通过激光驱动器对注入激光器的电流进行更改，分析发射波数与驱动电流的相关性，调节驱动电流大小，分析在300 mA至360 mA的电流变化范围内，激光器波数随驱动电流变化的响应曲线。可以得到，随着电流逐渐增大，激光器的波数是逐渐减小的，对应的输出波长是逐渐增大的，其响应曲线可以表示为：y = -0.0271x + 2212.972。 同理，对激光器发射波数与温度的相关性进行分析，对温度进行调节，使激光器在30 °C至45 °C之间工作，分析激光器中心波数随温度变化的响应曲线。可以得到，随着温度逐渐升高，激光器的波数是逐渐减小的，对应的输出波长是逐渐增大的，其响应曲线可以表示为：y = -0.1716x + 2210.216。 综上所述，根据所选用的N2O吸收谱线波数为2203.7333cm-1，因此，所对应的QCL 中心电流和工作温度应分别设置为330 mA和36.0 °C。 HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器的感光面积为1×1 mm2，探测范围较为广泛，可达到 2μm-14μm，完全满足本系统探测的需求。由于探测器接收到的回波信号较为微弱，在对数据进行处理前，需要对信号进行放大，而该型号的探测器内部设计有前置放大器，以便后续可直接进行谐波解调和浓度反演等数据处理，同时也对系统的设计进行了简化。结论与创新点：使用该检测系统对大气中 N2O 浓度进行实时检测是可行的。(1) 选用QCL作为发射光源。QCL 具有波长调谐范围广、输出功率较高、并且可以在室温条件下工作的卓越性能。选取最优谱线位置为 2203.73 cm-1，能有效避免其他气体的干扰，实现对N2O气体分子的高灵敏度检测。(2) 为了避免MGC在远程或户外的大范围环境检测研究中的限制性，选用离轴抛物面反射镜和角反射镜，搭建了开放式光学路径的N2O气体检测系统。将大部分光学元件安装在一个光学平台上，实现了系统的紧凑、便携特性，并满足开放式、大范围环境监测的需求。(3) 经验证，当积分时间为1s时，N2O检测限为1.1 ppb，当积分时间延长至95 s时，系统达到最低检测限为0.14 ppb。结合实验结果，表征了系统的高精确度、高灵敏度、低检测限的性能，并且完全满足对大气环境中N2O浓度测量的标准。参考文献：张玉容，赵曰峰《基于4.5 μm量子级联激光器的开放光路 N2O气体检测系统研究》

1月11日,由山东远普光学股份有限公司主导的“连续无跳模快速光谱可调谐激光器”项目成果鉴定会举行,北京有色金属研究总院张国成、中国科学院光电研究所周维虎等专家参加鉴定会,潍坊市副市长陈白峰出席。　　此项目是为了响应国家激光器产业化政策、突破国外可调谐激光器制造的垄断地位、建立良好的产业发展基础而提出的。该项目所创造的产品可广泛应用于天然气安全监测、石油能源探测、激光信息通讯设备测试、温室效应监控、激光医学诊断设备等新能源、能源综合利用、绿色环保和重大光电子信息检测设备中。该项目完成之后,将打破国外对可调谐激光器制造的垄断地位,建立中国可调谐激光器产业基础。　　山东远普光学股份有限公司已按照立项时所制定的发展计划和战略,利用自筹资金和高新区高新扶持资金,圆满完成了公司的项目发展规划和工作目标。第一项新产品“FTL快速可调谐激光器”已于2010年底中试,每条生产线年产能力达到500台。

p　　英国曼彻斯特大学的一个研究小组使用石墨烯等离子体的独特特性开发了一款可调谐太赫兹激光器。该成果发表在《科学》杂志上，该论文描述了研究小组的实验方法、所制作的四个原型、激光器的效果，以及他们将新技术应用到可用设备中的计划。马可· 波利和意大利理工学院在同一期对该研究团队的工作提出了一些意见，并就该技术可能发挥重要作用的领域提供了一些评论。/pp style="text-align: center "　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/2105af08-51ed-4216-b28b-0c7fff9552fe.jpg" title="untitled.png"//pp　　在太赫兹范围内工作的激光器可用于多种应用，因为其光束能够穿过衣物或覆盖物。这种激光器已制造出来，但迄今为止，只有一个固定波长，这限制了其在现实环境中的实用性。英国研究小组的这项新研究找到了一种方法，可调太赫兹激光器的波长，或许会改变太赫兹激光器的现状。/pp　　为了研制新的激光，该研究小组使用石墨烯替代激光器中的金属，因为石墨烯的波长可以在电场中被改变。他们开始通过一系列砷化铝镓量子点和不同厚度的砷化镓井放置在基板上，随后用黄金制成的波导将其覆盖。再将一层石墨烯放置在黄金层的顶部，研究人员减少了裂缝迫使电子穿过井之间的隧道。最后用聚合物电解质覆盖该三明治结构，并用悬臂梁的方式调谐激光器。/pp　　该实验制备出一个能产生太赫兹光束的器件，但不可能用于日常应用中。研究组又制备了四个原型，并在各种情况下对这些原型进行了测试。该团队相信这些器件，他们称其为“概念证明”，可以修改以实现电压控制，从而适用于每个狭缝，这将使器件具有更大的调控性。此外，波利还指出一个问题，即聚合物会防止悬臂梁背面的尖端与石墨烯片足够接近，阻碍精确控制的实现。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所 张慧)/ppbr//p