基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法

本发明涉及气体分析检测领域，特别是涉及一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法。

背景技术：

1、激光吸收光谱技术作为一种高选择性、快速响应、非接触的光学测量手段，已经被广泛应用在各种气体传感领域。它利用激光器的波长调谐特性，通过注入周期性的连续电流信号使激光器实现输出波长的扫描。激光器扫描的波长覆盖气体的吸收特征谱线后获取其光谱信号，进而反演待测气体浓度信息。

2、对于待测气体浓度较高的应用场景，可以采用直接吸收的光谱检测方法。直接吸收光谱是利用上述激光器波长调谐特性，一般采用三角波或锯齿波等连续电流信号驱动激光器进行波长扫描。入射激光被气体吸收后采集透过激光的光强变化并与分子吸收谱线数据库内的数据进行比对迭代，从而直接推算出气体的绝对浓度信息。可见，直接吸收光谱检测法是一种免标定的方法，但极容易受到背景噪声的干扰。

3、而对于气体浓度较低的测量场景，通常采用波长调制的方法提高探测的灵敏度。波长调制技术通过将高频正弦信号叠加在低频的扫描信号上，达到对气体吸收特征的高频调制从而可以减小低频干扰以提高信噪比。经过解调后提取的二次谐波信号与气体的浓度值呈正相关关系。

4、量子级联激光器具有结构紧凑、激光功率高、可常温运行等优势，且工作在中红外波段，气体分子吸收谱线最强。因此，相比于常规使用的近红外激光器，中红外量子级联激光器作为吸收光谱测量的光源可实现更高灵敏度的气体探测。随着近年来量子级联激光器的快速发展，中红外激光吸收光谱技术已经在大气环境监测、生物医疗检测、工业过程控制等场景得到了广泛的应用。

5、量子级联激光器通常借助半导体致冷片对芯片温度进行控制，但连续高电流驱动下激光器芯片产热较高，该热量被半导体致冷片搬运至其热侧，因此需要通过外部的主动冷却方式耗散热量，一般采用强制风冷或水冷的方式实现。而外部强制冷却的附属装置相对笨重，不利于传感装置的集成和轻量化设计。

6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，以在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，利于气体探测装置的小型化和轻量化。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置，包括光源模块、测量模块以及数据采集和处理模块，所述光源模块和所述数据采集和处理模块分别耦合到所述测量模块；所述光源模块包括依次连接的信号发生器、激光控制器、量子级联激光器以及沿光路设置的光学调整镜组；所述测量模块包括沿光路设置的气体吸收池和光电探测器；所述数据采集和处理模块连接所述信号发生器和所述光电探测器；

4、其中，所述信号发生器用于产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器用于接收所述电流驱动信号进而驱动所述量子级联激光器，以控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经所述光学调整镜组进入所述气体吸收池，经所述气体吸收池中的气体吸收后的激光由所述光电探测器接收，所述光电探测器用于将接收的光信号转换为电信号，作为测量信号输出给所述数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块用于根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述测量信号进行解调获得谐波信号，并选取二次谐波信号作为待测气体浓度的表征。

5、进一步地，所述激光控制器包括电流控制单元和温度控制单元；所述温度控制单元用于设定所述量子级联激光器内置的半导体制冷片的温度，并根据待测气体的吸收谱线选择所述量子级联激光器出射激光波长；所述电流控制单元用于根据所述信号发生器产生的电流驱动信号来驱动所述量子级联激光器，以控制出射激光的波长调制。

6、进一步地，所述量子级联激光器为连续波输出的分布反馈式量子级联激光器。

7、进一步地，还包括带翅片的热沉基座，所述量子级联激光器安装于所述热沉基座上。

8、进一步地，所述光学调整镜组包含若干反射镜和透镜，用于调节出射激光的方向和收缩光斑尺寸。

9、进一步地，所述气体吸收池为包括两个反射镜的多次反射池。

10、进一步地，所述数据采集和处理模块包括数据采集卡和与所述数据采集卡相连的处理单元，所述数据采集卡的输入端分别与所述信号发生器和所述光电探测器相连。

11、进一步地，所述低频脉冲电流信号的占空比可调节但不超过20％，脉冲内最小电流值大于激光器出光阈值电流，同时最大电流值小于激光器的极限电流，优选地，脉冲外最小电流值稍高于0。

12、进一步地，所述高频正弦信号的幅值根据待测气体吸收线的光谱宽度来选择，以实现最佳探测信噪比。

13、一种基于量子级联激光器的痕量气体探测方法，使用所述的基于量子级联激光器的痕量气体探测装置进行痕量气体探测，所述方法包括：

14、所述信号发生器产生低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的电流驱动信号，所述激光控制器接收所述电流驱动信号，作为间歇性调制信号来控制所述量子级联激光器的注入电流，从而控制所述量子级联激光发射波长间歇性调制的激光，调制后的激光经光路沿程的待测气体吸收后被所述光电探测器接收转换为电信号，所述数据采集和处理模块根据所述信号发生器输入的激光器驱动参考信号对所述电信号进行解调滤波分析，得到与被测气体浓度相关的二次谐波信号值，并利用二次谐波信号值确定被测气体浓度。

15、进一步地，所述方法还包括：

16、调整施加的高频正弦信号的幅值，使得所述二次谐波信号的峰峰值达到最大，从而确定为最佳调制电流值；

17、进一步地，所述方法还包括：

18、在气体吸收池内通入不同浓度的待测气体以及无吸收的氮气，获得二次谐波信号和气体浓度的线性关联式，即标定曲线；以及

19、抽取实际场景下的待测气体样本进入所述气体吸收池，根据所述标定曲线，反演所测气体的浓度值。

20、本发明的有益效果：

21、本发明提出一种基于量子级联激光器的痕量气体探测装置和方法，能够实现激光器产热量的显著下降，进而去除外部冷却系统。本发明通过基于间歇性调制的量子级联激光器来获得激光吸收光谱，可以在激光器产热量显著下降的情况下实现高探测灵敏度的痕量气体检测，有利于激光吸收光谱气体传感器的小型化和轻量化，促进其被更为广泛应用。

22、总体而言，与现有的连续激光吸收光谱的痕量气体检测方法相比，本发明的基于间歇性调制量子级联激光器痕量气体探测装置和方法主要具有以下有益效果：

23、1、本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与直接吸收检测技术相比，可显著提高探测灵敏度；

24、2、本发明采用基于低频脉冲信号和高频正弦信号相叠加的非连续波(intermittent continuous wave，icw)信号作为驱动电流，利用量子级联激光器的啁啾效应实现出射激光的频率扫描，相比常规使用的连续波(continuous wave，cw)电流信号扫描，可实现更宽的光谱覆盖范围(一般为两倍以上)，从而可以对吸收谱线较宽的气体分子进行探测；

25、3、本发明的基于间歇性调制量子级联激光器的痕量气体探测方案与现有技术相比，最大优势在于将激光器产热量限制在脉冲时间范围内，因此可以极大降低激光器的产热量，从而移除冗杂的外部强制冷却模块(一般为风冷或水冷)，有利于实现基于激光吸收光谱方法传感器的轻量化和微型化设计，适用于复杂现场环境的测量需求。