近日，來自中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、萊特勒海岸帕薩卡萊大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇題為《具有4.53微米量子級(jí)聯(lián)激光器和卡爾曼濾波器的濕度增強(qiáng)型N2O光聲傳感器》的論文。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

準(zhǔn)確測(cè)量大氣中N2O濃度有助于評(píng)估其對(duì)全球氣候和平流層臭氧的影響。用于測(cè)量N2O廣泛使用的分析方法是氣相色譜（GC）。然而，GC是一種無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量的方法，因此無法有效確定氣體濃度的短期變化。基于激光吸收光譜的光學(xué)氣體傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量氣體的高靈敏度、高選擇性和高時(shí)間分辨率的測(cè)量。

光聲光譜（PAS）由于其高靈敏度、零基線、緊湊性和高動(dòng)態(tài)范圍而近年來在微量氣體測(cè)量中被廣泛使用。與前述的吸收光譜技術(shù)相比，PAS技術(shù)在構(gòu)造上相對(duì)較簡(jiǎn)單。在PAS中，目標(biāo)分子吸收調(diào)制光能量，然后通過非輻射弛豫產(chǎn)生聲波。

本研究中，介紹了一種高靈敏度的N2O光聲傳感器，使用了4.53 μm QCL和卡爾曼濾波器在高濕度環(huán)境下。將水蒸氣添加到N2O/N2混合氣中，以改善N2O的振動(dòng)-平移（V-T）弛豫速率，從而提高檢測(cè)限。同時(shí)，在PASN2O傳感器中使用了卡爾曼自適應(yīng)濾波，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。通過長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)7小時(shí)的大氣N2O測(cè)量來展示了N2O光聲傳感器的能力。

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

圖1展示了基于中紅外QCL（HEALTHY PHOTON, Model HPQCL-Q）的PAS N2O傳感器系統(tǒng)的示意圖。該P(yáng)AS傳感器使用先進(jìn)的4.53μm連續(xù)波QCL作為激發(fā)光源。

Fig. 1. Schematic of a QCL based N2O sensor system. FG: function generator; LIA: lock-in amplifier.

寧波海爾欣光電科技有限公司為此項(xiàng)研究提供了HPQCL-Q™ 標(biāo)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭、QC750-Touch™ 量子級(jí)聯(lián)激光屏顯驅(qū)動(dòng)器。

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通過改變溫度和電流，QCL的波長(zhǎng)可以在2206.3 cm?1至2211.2 cm?1之間進(jìn)行調(diào)諧（圖2(a)）。圖2(b)顯示了在不同工作溫度下QCL輸出功率與電流之間的關(guān)系。

Fig. 2.  (a) Current tuning of QCL at different operating temperatures; (b) the relationship  between  QCL  output  power  and  current  at  different  operating temperatures.

結(jié)論

基于中紅外QCL開發(fā)了一種APAS N2O傳感器。通過對(duì)氣體樣品進(jìn)行加濕處理以及將透射的激光光線反射回PAS池，提高了傳感器對(duì)N2O檢測(cè)的性能。在加濕環(huán)境下，N2O測(cè)量的低檢測(cè)限為28 ppbv，并相應(yīng)的測(cè)量精度為34 ppbv。Allan-Werle分析表明，通過增加平均時(shí)間到800秒，低檢測(cè)限可以提高到1 ppbv。通過使用卡爾曼自適應(yīng)濾波器，降低了逐幀噪聲，并在不犧牲系統(tǒng)時(shí)間分辨率的情況下提高了測(cè)量精度2.3倍。已通過長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)測(cè)量大氣中的N2O來驗(yàn)證了開發(fā)的PAS N2O傳感器的可靠性。這種開發(fā)的PAS N2O傳感器在大氣監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和汽車排放監(jiān)測(cè)等方面具有潛在的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

Humidity enhanced N2O photoacoustic sensor with a 4.53 μm quantum cascade laser and Kalman filter, Photoacoustics Volume 24, December 2021, 100303.