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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 扩展腔量子级联激光器腔内电压传感及其在大气气体检测中的应用

DOI：10.1109/cleoe-eqec.2019.8871446 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 基于量子级联激光器（QCL）的激光光谱仪凭借这类光源的特性，在气体传感方面展现出优异的灵敏度和选择性。分布式反?。―FB）结构能提供窄线宽以增强选择性，其中红外波段发射可覆盖分子基频吸收带。此类光源的主要局限在于较窄的调谐范围（约10 cm?1），这阻碍了对宽吸收谱复杂物质的监测及多气体传感的实现。为获得更宽调谐范围，一种方案是采用阵列波导光栅配合QCL DFB阵列进行多物种光谱分析[1]。更常见的技术是将激光器置于外腔系统中：GSMA实验室使用商用10.5 μm外腔量子级联激光器实现了丁烷等重分子的光声气体传感[2]，并自主研制了7.5 μm外腔量子级联激光器用于气相丙酮和POCl?检测[3]。此外，外腔结构还支持腔内激光吸收光谱（ICLAS）技术——将样品置于激光谐振腔内，其吸收线会通过多次往返影响光谱特征，最终通过检测腔输出光进行光谱分析。mirSense研发的QCL可在室温连续工作模式下发射7.4-7.8 μm波段，本研究采用EC-QCL电压腔内传感（EVIS）技术通过QCL顺从电压[4]获取腔内气体光谱，无需外置探测器。腔内充气会导致损耗上升引发腔内光强变化，进而改变激光器电压。通过光栅旋转实现大波数扫描，调节QCL电流供应获得微小波长变化。为抑制QCL模式跳变影响，施加电流斜坡使总波长变化量等于1个QCL模式跳变，记录各光栅位置下的QCL电压并进行数值处理优化信号。图1左侧为实测结果（对应常压下含0.3%甲烷的空气腔体，含水蒸气），右侧为HITRAN数据库[www.hitran.org]计算吸收系数，两者显示良好一致性（初步估算分辨率约0.1 cm?1）。
作者： Rapha?l Vallon，Laurent Bizet，Bertrand Parvitte，Grégory Maisons，Matthieu Carras，Virginie Zéninari
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究利用扩展腔量子级联激光器（EC-QCL）通过腔内传感技术进行大气气体检测。

研究成果

初步结果表明，采用EVIS技术测量的电压差与HITRAN数据库计算得出的吸收系数高度吻合，验证了EC-QCL用于腔内气体传感的有效性。该研究凸显了EC-QCL系统在大气气体检测中的潜力，并为未来提升调谐范围与分辨率的研究提出了建议。

研究不足

量子级联激光器光源的主要局限在于其较窄的调谐范围（约10厘米?1），这限制了对具有宽吸收光谱的复杂物质或多气体检测的监测能力。初步结果的分辨率估计约为0.1厘米?1，表明在灵敏度和分辨率方面存在潜在的优化空间。

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