在許多工業生產中,廢氣的產生是必然的。它們往往成分復雜,既可能成為生產的安全隱患,又是大氣環保的大敵之一。無論是想污染溯源,還是期望最后的針對性治理,監測都是第一環。在線氣體監測系統,就是讓污染環境的“小惡魔”無處遁形的利器,是否能拿下治理廢氣的“Frist Blood”,就看它的本事了。
對于成分復雜的氣體,光學的FT-IR法在在線監測中是比較常見的。其具備極高的精度,且可以保證監測氣體種類的廣泛性。同樣是光學法,使用量子級聯激光器(QCL)的紅外氣體分析法(QCLAS),也活躍在污染氣體監測的前線。因為基于的是激光技術,因此相對FT-IR,在距離和定向性方面有更好的表現,可進行在更遠距離下更精準范圍的測量。
可惜的是受工藝限制,一直以來,每款QCL都有其特定的波長范圍且較為狹窄,各自只能針對某幾類氣體。如果成分復雜且廣泛,比如像VOC一類的氣體,這種方法是不能實現同時的在線檢測的。
不同分子的氣體都有其固定的、獨有的特征吸收峰,我們根據這些吸收峰的位置進行識別,從而分辨出是哪種氣體以及濃度大小,這些吸收峰我們也稱之為“分子的指紋峰”,利用中紅外光指紋峰來判斷氣體的種類和濃度,已經廣泛地應用于氣體測定中。
然而,下面這一個的巴掌大的“小小盒子”——波長外腔調諧量子級聯激光器(QCL)模塊,將改變這一現狀。
濱松波長外腔調諧量子級聯激光器(QCL)模塊 L14890-09
波長調諧范圍:7.84um~11.14um
QCLAS能實現多種氣體的同時監測了!
波長外腔調諧量子級聯激光器(QCL)模塊L14890-09是濱松剛推出不久的一款新QCL產品。波長調諧范圍在7.84um~11.14um,峰值功率為600mW(typ.),往返頻掃(全范圍調諧)頻率達1.8KHz。
在中紅外光譜應用上,相比較于傳統的FT-IR方法,這個新型的QCL模塊充分利用激光的定向能和寬頻掃特性,可實現中紅外光譜的遠程、非接觸式、高通量、高精度測量。在污染氣體監測中,也就可以實現我們上面提到的,同時滿足在更遠距離下的測量,以及多種氣體的同時高精度在線監測。
QCL模塊L14890-09的甲烷氣體吸收的測定
此外,在其他中紅外應用中,這個QCL小盒子也被給予了期望。例如應用在無創小型血糖儀中。日本東北大學松浦祐司教授進行的一項研究中發現,使用QCL模塊 L14890-09 測定和通過血液采樣測量的血糖值結果接近。而在其他的塑料檢測實驗中,也得到了可觀的數據結果(見下圖):
Polystyrene film Measurement result
Data provided by Mr.Hiromitsu Furukawa, Electronics and Photonics Research Institute, NationalInstitute of Advanced Industrial Science and Technology
打開這個QCL模塊,看看它的小秘密
這些神仙性能是怎么煉成的?
要實現QCL這樣的性能,并不是一件簡單的事情,主要通過內部器件獨特的優化,以及結構精密設計的加持。正因如此,QCL模塊L14890-09也獲得了2018日本文部科學省納米技術平臺事業部授予的“最佳成果獎”。那我們就來看看,在它的內部都有什么神仙操作。
把這個QCL模塊打開,里面裝著自主研發的三項實現外腔調諧的核心技術:
· 新開發的寬譜增益的QCL芯片
· MEMS衍射光柵
· 高效率的增透膜
簡要圖示如下:
利用了濱松獨特的量子結構設計技術,這個QCL小模塊內的QCL芯片采用了一種反交叉雙重高能態結構(AnticrossDAUTM)。而在QCL芯片的發射截面上,則制成了多層增透膜,它可以保證從截面發出的激光,在到達光柵前零損耗。芯片產生的寬帶光再通過MEMS衍射光柵的傾斜來選頻,實現了特定波長的完全反射和諧振。
模塊在工作的時候,電控MEMS衍射光柵可高速擺動以改變其傾角,進而周期性地改變衍射角度、即改變諧振光的波長,最終使模塊實現中紅外激光的波長掃描。相對于已有的利用電機使鏡面機械式運動來改變波長的QCL模塊,電控MEMS衍射光柵可以達到更快的波長調諧,且衍射器件的微型化也使得模塊更加的緊湊(8.2×8.8×11.2 cm),易于裝配。
說到這里,還有一款新的低功耗QCL
也來了解下吧!
濱松在QCL的開發上一直都朝前推進著。繼波長外腔調諧QCL模塊后,一款新的低功耗QCL也踏著小碎步緊接著在今年初面世啦!
和以前的QCL不一樣的是,這個新成員采用的是蝶形(Tall-Butterfly)封裝。繼承了原來HHL封裝QCL的優點,CW功率保證不低于15mW的情況下,在閾值電流、最大電流、芯片功耗及總功耗方面均有大幅度優化。芯片工作溫度在10~65℃,甚至某些高溫芯片無需外部風冷,完全可以滿足日常環境下的使用要求。且緊湊小巧,重量僅16g,適合于集成到氣體分析設備之內。
針對于紅外氣體分析的應用,濱松可提供包括QCL以及紅外探測器在內的全套解決方案。在空氣污染問題日益嚴峻的現在,我們也希望通過推進基礎核心技術的發展,為環境監測應用帶來更多的支持和可能。
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