基于脈沖激光器泵浦的緊湊型雙諧振腔光參量振蕩器的新型氣體分析儀，可以實時監(jiān)測多種氣體，其在ppb量級上具有非常寬的動態(tài)范圍。

Bertrand Hardy-Baranski, Oliver Le Mauguen；Blue Industry and Science公司

Florent Thibault；Teem Photonics公司

在石油和天然氣、化學(xué)、制藥和食品工業(yè)中，非常有必要用氣體測量儀器控制和監(jiān)測工業(yè)過程。受到節(jié)省成本與能源、以及進一步減少污染物排放的限制，這些行業(yè)正在不斷尋求更先進的氣體測量技術(shù)，以對濃度從非常低到較高水平的多種氣體進行實時定量測量。

盡管基于激光的光學(xué)氣體分析儀是痕量氣體實時定量檢測的自然解決方案，但此前很難開發(fā)能夠足夠精確地測量超過三至四種氣體的系統(tǒng)，這是由于受波長可調(diào)諧性（通常為幾個波數(shù)）的限制。但是，一種基于脈沖微芯片激光器泵浦的光參量振蕩器（OPO）的新型氣體分析儀，能夠?qū)崟r定量測量八種氣體種類，測量濃度下限低至30 ppb。這種新型氣體分析儀正在響應(yīng)上述新的工業(yè)需求。

基于激光器的氣體傳感方法

當(dāng)被紅外（IR）區(qū)域的激光光源激發(fā)時，分子發(fā)射獨特的信號，該信號代表了待測樣品中的氣體種類及濃度。此光譜“指紋”是由分子的振動模式與探測光的相互作用而產(chǎn)生的。對于大多數(shù)氣體種類的簡便辨別，最佳區(qū)域在中紅外范圍內(nèi)，通常在2~5 µm窗口。

迄今為止，兩類主要的氣體分析儀均基于該原理。傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀采用寬帶光源，掃描寬帶范圍內(nèi)的IR光譜（通常為幾千cm^-1）。信號代表了存在于樣品中氣體的所有特征的總和，通過干涉儀來進行解析，得到樣品中每種氣體種類的濃度。雖然這類光譜儀非常適合樣品中氣體的完全鑒別，但在商業(yè)產(chǎn)品中其檢測限通常在ppm量級。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜學(xué)（TDLAS）儀器針對氣態(tài)物質(zhì)紅外特征的某一峰值（通常為1~10 cm^-1）。它們一般使用分布反饋二極管或量子級聯(lián)激光器（QCL），或者新近還使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。

這些光譜儀可以在非常短的時間內(nèi)（一般為毫秒級），監(jiān)測非常低濃度（ppb量級甚至更低）的氣體。然而，TDLAS儀器僅能夠監(jiān)測少數(shù)氣體（通常為一到三種），并且很大程度上依賴特定的環(huán)境；也就是說，不同的環(huán)境可能需要針對目標(biāo)氣體種類的另一個光譜吸收帶，以應(yīng)對干擾種類，因此需要不同的激光光源。

高分辨率和寬調(diào)諧范圍

采用French Aerospace Lab ONERA的專利光學(xué)技術(shù)，以及Teem Photonics公司的脈沖微芯片激光器，Blue Industry and Science公司開發(fā)出了一種具有非常高分辨率的可調(diào)諧激光光源（VHR-TL），其具備非常寬的調(diào)諧范圍（目前的型號介于2350~3125 cm^-1之間）與非常高的分辨率（0.01 cm^-1），從而使得單個光源集寬帶可調(diào)諧性和窄線寬于一身。^[1]相比而言，在近似分辨率下，VHR-TL光源跨越775 cm^-1，而QCL限制在10 cm^-1。

VHR-TL的核心是所謂的嵌套腔雙諧振OPO（NesCOPO）設(shè)計（見圖1）。與任何OPO一樣，NesCOPO將輸入泵浦光ω_p轉(zhuǎn)換為兩種輸出光：信號光ω_s與閑散光ω_i。這種轉(zhuǎn)換是在一個（或多個）諧振腔中的非線性晶體中完成的，​​根據(jù)能量守恒原理ω_p = ω_s+ ω_i。通過改變OPO的物理參數(shù)，可以在可實現(xiàn)的光譜范圍內(nèi)設(shè)定ω_s和ω_i的值，僅用閑散光用于紅外光譜測量。

雙諧振OPO設(shè)計的一個主要優(yōu)點，在于其相對于標(biāo)準(zhǔn)單共振方案具有較低的激射閾值，這基本上是因為兩個參量光均在腔內(nèi)諧振（見圖2）。VHR-TL OPO也采用雙程泵浦方案，從而降低了激射閾值，并能夠以便宜的脈沖微芯片激光器進行泵浦。這些被動調(diào)Q激光器提供幾納秒的脈沖，匹配OPO的增益建立時間，在1064 nm具有千瓦級的峰值功率，從而有效驅(qū)動參量光產(chǎn)生。

與單諧振OPO相反，閑散光ω_i呈現(xiàn)激光般品質(zhì)的輸出。優(yōu)越的光束質(zhì)量、更高的能量密度和光譜純度結(jié)合在一起，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更高的靈敏度和光譜分辨測量。

對NesCOPO嵌套腔設(shè)計來說，信號光和閑散光在不同腔內(nèi)諧振。兩個腔的頻率梳在非線性晶體內(nèi)交疊，具有更好相位匹配的縱模將確定實際的光譜輸出特性（見圖3）。通過精心設(shè)計，在非線性晶體的有效增益帶寬內(nèi)，可以實現(xiàn)任何頻率的單模運行。

兩個腔的凹面鏡（M1和M3）由壓電驅(qū)動器驅(qū)動，以提供輸出頻率的連續(xù)調(diào)諧。 腔鏡指令完全由軟件控制，范圍為775 cm^-1，分辨率優(yōu)于0.01 cm^-1。該系統(tǒng)無需任何硬件改變就可以容易地針對應(yīng)用進行定制，例如減少測量周期，或在特定環(huán)境中添加或刪除所分析的氣體種類。

工業(yè)性能

VHR-TL光源對于Blue X-FLR8氣體分析儀而言不可或缺，它提供與TDLAS類似的性能指標(biāo)，同時在ppb量級檢測限下提供真正的多氣體分析可能性。例如，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地連續(xù)監(jiān)測八種氣體：五種低ppm量級的輕質(zhì)烴、以及從低ppb至ppm量級的丙烷、一氧化二氮和二氧化碳。得益于該設(shè)備的高分辨率，它甚至可能解析吸收躍遷的譜形。

Blue氣體分析儀在大于700 cm^-1​​掃描范圍內(nèi)對四種氣體分析的圖形輸出，與FTIR技術(shù)所能獲得的結(jié)果接近（見圖4）。但Blue X-FLR8分析儀測量優(yōu)于先進的FTIR系統(tǒng)，因為在測量甲烷時它顯示了一個多峰結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)的基于FTIR的掃描所無法實現(xiàn)的（見圖5）。

光纖耦合微芯片激光器泵浦，令VHR-TL緊湊（尺寸40 cm×30 cm×17 cm，重量12 kg）和堅固的設(shè)計成為可能，使得Blue氣體分析儀自身足夠緊湊可靠，可用于在線或移動應(yīng)用中，幾分鐘內(nèi)即可投入使用。

當(dāng)大型工業(yè)氣體公司用其實施過程控制監(jiān)控時，通過掃描七個不同的紅外窗口（見表1），^[2]儀器計算工藝實時污染物，并據(jù)此觸發(fā)及時的維護周期。所挑選的窗口在測量所需的時間，以及通過對實時光譜去卷積來精確量化氣體種類的能力之間提供良好的折衷。目前的測量周期為5分鐘，當(dāng)2015年初該分析儀部署到生產(chǎn)現(xiàn)場時，測量時間將會持續(xù)縮減。

表1：

工業(yè)應(yīng)用中正在越來越多地使用紅外光譜技術(shù)，因為它們提供痕量水平級的快速、可靠和無人測量。相較于當(dāng)前廣泛建立的氣相色譜或質(zhì)譜技術(shù)，紅外光譜技術(shù)更容易實施，因為它們幾乎不需要耗材，并且使操作時間最短。配備VHR-TL光源技術(shù)的Blue氣體分析儀，在現(xiàn)有的TDLAS性能指標(biāo)上添加了多氣體分析能力，具有在實時工業(yè)過程監(jiān)控領(lǐng)域中促進新應(yīng)用的潛力。

參考文獻

1. B. Hardy et al., Opt. Lett. 36, 678–680 (March 2011); doi: 10.1364/OL.36.000678.

2. S.W. Sharpe et al., Appl. Spectrosc. 58, 1452–1461 (July 2004).