具有4.53微米量子級聯激光器和卡爾曼濾波器的濕度增強型N2O光聲傳感器

近日，來自中國科學院合肥物質科學研究院、中國科學技術大學、萊特勒海岸帕薩卡萊大學的聯合團隊發表了一篇題為《具有4.53微米量子級聯激光器和卡爾曼濾波器的濕度增強型N2O光聲傳感器》的論文。

項目簡介

準確測量大氣中N2O濃度有助于評估其對全球氣候和平流層臭氧的影響。用于測量N2O廣泛使用的分析方法是氣相色譜（GC）。然而，GC是一種無法實現連續測量的方法，因此無法有效確定氣體濃度的短期變化?；诩す馕展庾V的光學氣體傳感器可以實現對微量氣體的高靈敏度、高選擇性和高時間分辨率的測量。

光聲光譜（PAS）由于其高靈敏度、零基線、緊湊性和高動態范圍而近年來在微量氣體測量中被廣泛使用。與前述的吸收光譜技術相比，PAS技術在構造上相對較簡單。在PAS中，目標分子吸收調制光能量，然后通過非輻射弛豫產生聲波。

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境下。將水蒸氣添加到N2O/N2混合氣中，以改善N2O的振動-平移（V-T）弛豫速率，從而提高檢測限。同時，在PASN2O傳感器中使用了卡爾曼自適應濾波，進一步提高了測量精度。通過長時間、連續7小時的大氣N2O測量來展示了N2O光聲傳感器的能力。

實驗細節

圖1展示了基于中紅外QCL（HEALTHY PHOTON, Model HPQCL-Q）的PAS N2O傳感器系統的示意圖。該PAS傳感器使用先進的4.53μm連續波QCL作為激發光源。

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研究提供了HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭、QC750-Touch™ 量子級聯激光屏顯驅動器。

HPQCL-Q™                                      QC750-Touch™

通過改變溫度和電流，QCL的波長可以在2206.3 cm?1至2211.2 cm?1之間進行調諧（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.

結論

基于中紅外QCL開發了一種APAS N2O傳感器。通過對氣體樣品進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N2O檢測的性能。在加濕環境下，N2O測量的低檢測限為28 ppbv，并相應的測量精度為34 ppbv。Allan-Werle分析表明，通過增加平均時間到800秒，低檢測限可以提高到1 ppbv。通過使用卡爾曼自適應濾波器，降低了逐幀噪聲，并在不犧牲系統時間分辨率的情況下提高了測量精度2.3倍。已通過長時間、連續測量大氣中的N2O來驗證了開發的PAS N2O傳感器的可靠性。這種開發的PAS N2O傳感器在大氣監測、農業活動和汽車排放監測等方面具有潛在的應用前景。

參考文獻：

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