【插播】滨松新型BTF-QCL助力下一代温室气体监测发表Applied Physics B-光电汇

【插播】滨松新型BTF-QCL助力下一代温室气体监测发表Applied Physics B

2024-01-17

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2023年12月7日，香港中文大学任伟教授团队与深圳职业技术大学、朗思科技、滨松集团及滨松中国合作，在Applied Physics B发表了题为“Highly sensitive QEPAS sensor for sub‑ppb N₂O detection using a compact butterfly‑packaged quantum cascade laser”的文章。

研究人员利用滨松最新推出的紧凑型蝶形封装量子级联激光器（BTF-QCL）作为中红外光源，基于石英增强光声光谱QEPAS方法，将带有准直透镜的QCL直接耦合到QEPAS检测模块，所开发的N₂O传感器可以达到低于1 ppb的最小检测限。该文章通讯作者为香港中文大学任伟教授和助理教授王震，第一作者为博士生杨敏。该传感器已成功应用于环境空气监测，展现了新款BTF-QCL用于开发下一代紧凑型温室气体传感器的潜力（点击此处查看往期产品助力科研详情）。

图1 部分论文内容展示

随着人类对于氮肥使用、燃烧过程和化工生产的加剧，N2O已成为仅次于CO2和CH4的第三大长寿命温室气体，而且它的全球变暖效应是CO2和CH4的几十到几百倍，随着双碳政策的提出和实施，N2O有望成为下一代温室气体监测的重点对象。传统的N2O检测方法包括气相色谱法、电化学传感器、半导体气体传感器和非色散红外NDIR技术等。这些方法在设备重量、尺寸、灵敏度、检测精度和测量时效上有一定的局限性。基于石英增强光声光谱QEPAS技术的温室气体监测具有高灵敏度（亚ppb）、低成本和非常紧凑的特点。

研究人员采用滨松的蝶形封装QCL激光器（4.56 μm）作为光源来激发位于2190 cm^-1处的N2O吸收谱线，激光器实物图及实验示意图如下所示。

图2 BTF-QCL实物图

图3 实验装置示意图

由于光声信号与激光输出功率成正比，开发具有高功率的激光器更有使用价值。滨松新型BTF-QCL保证不低于15 mW的输出功率，实际上出厂测试数据都在100 mW以上，参数上远超大家预期，真正的“实过其言”。

实验中用到的激光器出厂测试数据详见下图。通过电流调谐输出功率可以达100 mW以上。新款BTF-QCL除了兼有以往产品的超窄线宽外，还具有如下优势：

1、体积是HHL封装的1/3，重量是HHL封装的1/8（30 mm×12.7 mm×13 mm）；

2、阈值电流小（<120 mA），远低于市面同类型QCL ；

3、输出功率高（>100 mW）；

4、I-V曲线及输出功率的高线性度；

5、用于温室气体监测具有极高的检出限（0.24 ppb）；

6、室温工作，无需水冷。

图4 不同类型QCL对比（左为HHL封装，右为BTF封装）

图5 新型BTF-QCL功率曲线实测数据

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关于QCL内容已经全部讲解完毕，如果有任何问题都可以在评论区提问，以下滨松中国技术工程师会第一时间为您解答。如需查看期刊发表原文，可以复制此链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00340-023-08140-6

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