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。基于激光吸收光譜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.