量子級聯激光光譜技術在大氣環境檢測中的運用分析

王 巍

（深圳市生態環境監測站，廣東 深圳 518000）

引言

以溫室氣體、酸性氣體、還原性氣體等為代表的大氣中的痕量氣體濃度對大氣環境質量變化具有至關重要的影響，如何掌握大氣環境中痕量氣體濃度的動態變化情況，能夠為工業生產及生態環境保護等相關工作提供充分的技術支持與依據。相關技術研發人員及從業者應明確量子級聯激光光譜技術在大氣環境當中的應用價值，進而為相關領域的研究提供支持。

1 量子級聯激光光譜技術概述與主要特點

1.1 量子級聯激光光譜技術概述

量子級聯激光光譜技術指的是依托量子級聯激光器實現對氣體目標進行光譜檢測的一種技術手段。在量子級聯激光器中，激光的產生僅僅由電子參與并作用，基于導帶及其內部的電子，能夠實現有源區不同量子阱能級間粒子數的反轉，使激光得以輻射，實現電子的周期性輸送與傳遞，進而形成級聯激光。

1.2 量子級聯激光光譜技術的主要特點

20世紀90年代中期，學界首次采用量子級聯激光光譜技術對目標氣體進行了檢測與分析，同時在相關領域得到了較為廣泛的運用。具體來說，量子級聯激光光譜技術的優勢與特點主要涵蓋以下幾方面內容。

1.2.1 電子利用效率較高

在傳統的半導體激光器的輻射作用下，電子與空穴相遇后即完成了預期目標，利用效率較為低下，系統能耗較高，而采用量子級聯激光器進行激光生成及氣體檢測工作，能夠實現對有源區的層次串聯，實現對電子的重復性利用，有效提升檢測過程中電子利用效率，充分降低激光器氣體檢測能耗，為強化氣體檢測效率提供了技術支持[1]。

1.2.2 紅外波段可調

在依托量子級聯激光器對目標氣體進行檢測的過程當中，有效規避了空穴效應對波段產生的影響，技術人員能夠按照氣體檢測工作實際要求在檢測過程當中對系統結構及紅外波段進行實時調整，減少因材料問題對氣體檢測實驗造成的限制，使材料類別、實驗界面、生長速度等指標都能夠得到相應調整，有效避免傳統半導體激光器進行氣體檢測過程中所面臨的一系列局限性問題。

1.2.3 增益譜窄

在激光測量技術的應用過程當中，增益譜指的是光子在增益狀態下數量與光波長之間的比重關系，從傳統半導體激光器及量子級聯激光器二者之間的差異性表現來看，量子級聯激光器屬于單極型器件，不需要空穴效應的輔助與支持，僅依靠系統當中的電子產生光子就可生成持續穩定的激光。與此同時，其試驗的結果表現較為穩定，載流子躍遷過程中的形態基本保持一致，增益譜較為狹窄，避免了密度指標對電流造成的限制。

1.2.4 響應速度較快

傳統半導體激光器往往需要經歷較長的帶間復合時間，這對于激光器的響應速度產生了一定的影響。而引進量子級聯激光器后，其弛豫時間較短，響應速度較快，能夠適應現代技術發展的目標要求。

1.2.5 環境適應能力較好

半導體激光器需要依賴電子在空間當中進行躍遷，其受到外界環境的影響較為明顯，如受到溫度影響會產生俄歇效應，電子能量往往不夠穩定。而在量子級聯激光器的運行過程當中，內部子帶呈現較為明顯的平行效應，粒子較為穩定，對差異化環境的適應能力較好。

2 氣體光譜檢測裝置介紹

在選用量子級聯激光器進行氣體檢測之前，技術人員需要對氣體光譜檢測裝置的形態特征及運行情況進行簡要分析，為后續試驗活動的開展做好技術準備。本次研究選用了QCLAS檢測系統，光源選用了中紅外DFB-QCL，中心波長為8.91μm，調節范圍為8.944～8.900μm。對檢測裝置的功能模塊進行分析發現，其內部功能模塊與元件主要包括QCL芯片、半導體制冷模塊、溫控模塊及輸出光準直模塊。為適應氣體光譜檢測工作開展特點，契合量子級聯激光器運行要求，可將光學多通池作為光子吸收池，有效光程為26.88 m，最高運行溫度為230 ℃。通過對低頻三角波掃描信號進行放大與疊加，能夠得到多通高頻正弦信號，可用于氣體檢測及相關處理工作[2]。

2.1 裝置調試

首先，需要對激光模塊的驅動控制模式進行測試與分析。在本文所述氣體光譜檢測系統內部，主要涉及方波信號及直流偏置電流等兩項主要信號，為適應氣體檢測目標，促使量子級聯激光器內部控制更加便捷，將方波信號的頻率設定為100 kHz，將偏置電流的值設定為30 mA，經調試，能夠在一定程度上保障激光器檢測的穩定性。此外，除了驅動模式的測試與分析外，還需對激光器的驅動電流進行選定與分析。為進一步強化激光器檢測工作的可靠性，同時考慮激光器的運行、使用成本，將激光器的驅動能源設定為190 ns脈沖電流，經檢測與驗證過后發現，受脈沖源阻抗的影響，接收到的方波信號前端存在小幅度的振蕩現象，因此在對驅動控制模塊進行調試與檢測的過程當中，相關技術人員應當按照實際情況對脈沖電流的大小進行進一步的調節與控制，從而保障吸收信號與脈沖信號之間的位置關系，控制測試誤差，提升系統調試可靠性。

其次，需要對激光器運行過程中的光路進行調試與檢測。在量子級聯激光器的運行過程中，大多采用反射鏡組對光束進行準直與縮束，在這一過程中，對光路進行調試檢測能夠保障激光束的輸出精度，使光譜檢測結果更加準確。在對激光器光路進行調試之前，技術人員應切斷激光器電源，同時采用特定材料對其輸出端口進行遮擋，避免激光器內部構件受到毀損，提升激光器運行穩定性。在調試過程中，可對反射鏡組的角度與位置進行調整，使激光束的輸出狀態及輸出角度能夠符合氣體光譜檢測要求，使目標點位獲取的激光信號能夠達到預期目標。

最后，需要對系統內部信號通信模塊進行調試。在量子級聯激光器光譜檢測試驗的開展過程中，通信模塊的搭建與運作直接影響激光器光譜檢測結果的準確性與可靠性，因此相關技術人員應結合試驗方案、氣體形態及光譜信號采集要求等相關指標對通信模塊進行調整與控制，使其能夠較為穩定地獲取氣體光譜檢測信號，技術人員應當對激光器輸出的調諧激光束強度及經氣體產生的光譜信號進行記錄，同時與實際試驗環境進行比對，當接收模塊所獲取的信號穩定時，能夠認定系統內部信號傳輸模塊的運行正常，從而為氣體檢測實驗的開展提供支持。

2.2 對量子級聯激光器的性能指標作出相應判斷與分析

第一，激光器的光譜掃描波數范圍在1 252.95 cm-1與1 254.24 cm-1之間。當激光器的運行溫度發生變化時，脈沖電流所控制的激光束掃描波束同樣也發生相應變化，當溫度不斷下降時，激光器中的掃描激光束波束在同步提升，通過對激光器不同運行溫度及掃描范圍進行記錄并分析得到目標氣體的光譜特點，進而為氣體測試與分析提供支持。具體數據見表1所示。

表1 甲醛氣體吸收光譜掃描

第二，基于上文可知，在量子級聯激光器的檢測與掃描過程中，受到環境溫度變化等相關因素的影響，激光器的掃描波束及掃描范圍也會發生相應的變化，最終得到的檢測結果與常溫下的實際結果之間可能會產生一定的差異，因此技術人員應明確檢測過程中的溫度調控系數，掌握溫度與激光束掃描檢測范圍之間的關系，從而使掃描檢測工作結果更加準確可靠。經過對大氣環境下甲醛氣體檢測、計量與分析發現，量子級聯激光器掃描檢測過程中的溫度調控系數為-0.083 cm-1/K，隨著環境溫度及檢測工作溫度的不斷上升，量子級聯激光器掃描的波長越長，掃描范圍越廣，頻率越低。

第三，需對整個系統檢測運行過程中的穩定性狀態進行分析與研究。在以往半導體激光器對氣體進行的檢測實驗開展過程中，受到技術因素的影響和限制，往往導致最終檢測的穩定性存在一定不足，隨著時間的不斷推移，激光器所反饋的檢測結果與大氣環境下氣體的實際情況之間往往會產生一定的差異，導致檢測結果出現區間偏移的現象，影響最終結果的準確性與可靠性。因此，在進行檢測的過程中，對激光器的光強進行了周期性記錄，同時采用統計學方法對激光器檢測過程中的穩定性進行相應分析。分析結果顯示，在大氣環境下對氣體進行檢測的量子級聯激光器運行過程中，其光強的區間偏移為0.018 8，氣體檢測穩定性的標準偏差為0.000 7，兩項重點參數指標的偏移范圍均符合誤差區間內，證明采用量子級聯激光器對目標氣體進行檢測具備較好的穩定性與可靠性，相較于傳統的半導體式激光器而言具備一定的性能優勢。

第四，激光器的檢測靈敏度驗證與分析。具體來說，在對大氣環境下某一目標氣體的濃度進行檢測的過程中，需要明確氣體壓強、光譜線情況及光譜譜線吸收范圍，并將檢測結果與實際濃度進行相互比較，具體公式為：

式中，C為大氣環境下目標氣體的濃度狀態，為激光檢測過程中氣體與環境濃度之間的線性函數，MDA為大氣環境下氣體的最小檢測吸收強度。通過將大氣環境下氣體濃度與實驗過程當中的光譜譜線吸收情況進行相互比，能夠得到常規狀態下的氣體檢測靈敏度。在本次研究過程中，激光檢測設備的靈敏度為187 ppb。

3 大氣環境氣體檢測試驗與分析

為對本文所述量子級聯激光器下的光譜氣體檢測準確性與可靠性進行分析，現以甲烷、甲醛兩種氣體在大氣環境中的濃度檢測試驗為例進行研究。具體流程與分析結果如下。

3.1 試驗原理

在選用量子級聯激光器對氣體進行光譜檢測的過程當中，遵循Beer-Lambert定律，激光束與目標氣體介質之間的關系可用以下公式進行表述：

式中，I為量子級聯激光器檢測運行過程當中輸出激光束的不同角度，α為大氣環境中目標氣體的吸收系數，P為大氣壓強，X為氣體摩爾分數，S為譜線線強，為實驗過程當中有關激光束與氣體介質之間的線性函數，L為光譜檢測實驗過程當中激光束的照射路徑。

在檢測過程中能夠發現，受到試驗環境及操作流程等相關因素的影響，基于量子級聯激光器對于大氣環境中特定氣體的檢測結果可能面臨噪聲與外部干擾等因素的影響，嚴重沖擊了最終檢測結果的準確性與可靠性。因此相關試驗人員需要分別基于激光頻率、調制振幅等要素對試驗環境進行調節，使激光器的檢測結果更加準確，以減少外界不利因素的干擾。

3.2 甲烷與甲醛檢測試驗

通過對大氣環境中不同氣體類別進行檢測與分析能夠發現，以甲烷、甲醇等為代表的氣體分子對于激光束的吸收能力較為明顯，表現在檢測結果中的強度同樣也較為突出，因此能夠基于其檢測結果對量子級聯激光器支持的氣體光譜檢測結果做出明確的判斷與分析。在本次研究過程中，分別以甲烷、甲醛兩種氣體為例開展檢測與分析工作。

對甲烷進行的檢測試驗。技術人員需要對激光束測試環境進行構建與優化。在本次研究過程中，為進一步減少外部環境對于激光束的影響，提升激光束檢測結果的穩定性與可靠性，試驗團隊在進行環境建設的同時，嚴格控制量子級聯激光器運行過程中的溫度狀態，同時做好試驗過程中的真空控制工作，使最終的檢測結果準確性得到充分強化與保障。此外，在對接收端光強信號進行統計與整理過后，還需要進行除噪與抗干擾處理工作，技術人員將背景中雜散光進行全面剔除，進而與檢測結果進行擬合，并將試驗結果與激光束譜線結果進行比對，對激光光譜檢測準確性進行分析，結果顯示二者之間吻合度較高。

對甲醛進行的檢測試驗。相較于其他氣體而言，甲醛對于人體健康具有一定的危害性，因此技術人員應當做好現場保護工作，反復對試驗儀器的氣密性進行檢查，避免出現有毒氣體泄漏。技術人員同樣需要按照量子級聯激光器光譜檢測試驗的相關流程及試驗要求對現場試驗流程進行優化與部署，使氣體的光譜信號得到準確傳遞與接收。結果顯示，大氣環境中激光束對甲醛進行的光譜檢測與實際氣體濃度之間同樣具備較好的吻合度，激光束檢測的準確性得到了相應證實。

3.3 定性分析

在試驗檢測過程中，需要結合激光束檢測結果及其在氣體光譜當中的表現情況做定性分析，再對兩種目標氣體的檢測狀態進行綜合判斷。分析統計結果顯示，甲烷、甲醛的激光束光譜檢測結果與大氣環境數據庫當中的氣體指標相一致，因此能夠認定量子級聯激光光譜技術在氣體檢測分析領域具備一定的應用價值，借助其檢測技術能夠對氣體當中的分子分布狀態進行統計與分析，為大氣環境保護領域提供技術支持。

3.4 定量分析

除定性分析外，還需要對大氣環境中甲烷、甲醛兩種氣體進行定量分析與計算，同時對計算結果及氣體的實際含量進行比對研究。經統計后發現，高強度譜線下的激光檢測結果能夠較為直觀地對甲烷及甲醛的含量、濃度作出相應判斷，同時能夠進一步規避環境因素造成的干擾和影響，有效提升檢測結果的準確性。

3.5 氣體光譜參數研究

通過量子級聯激光光譜技術對大氣環境中甲烷、甲醛兩種氣體進行檢測研究得出結論，常壓下上述氣體分子間的碰撞作用較弱，存在一定的非線性效應，與此同時，隨著氣體濃度與壓強的變化，對于激光束的吸收強度也會產生一定變化，試驗結果與數據庫相關結果一致。

4 結語

在大氣環境監測領域，量子級聯激光光譜分析技術以其檢測結果的全面性與可靠性可發揮重要作用。相關技術人員應明確其試驗流程與注意事項，確保氣體光譜分析的水平與質量。