V systémoch na snímanie plynov TDLAS slúži laser DFB (Distributed Feedback) ako hlavný zdroj svetla. Lasery DFB sa vyznačujú úzkymi šírkami čiar, výstupom v jednom pozdĺžnom režime, vysokou stabilitou vlnovej dĺžky a presnou laditeľnosťou. Ich emisná vlnová dĺžka môže byť presne prispôsobená absorpčnej línii cieľového plynu a jemne doladená pomocou teploty alebo hnacieho prúdu, aby umožnila skenovanie a detekciu cez absorpčný vrchol, čo z nich robí ideálnu voľbu pre monitorovanie priemyselných plynov, analýzu životného prostredia a vedecký výskum.
(1) Laser DFB vyžaruje koherentný laserový lúč s jedným režimom s vlnovou dĺžkou naladenou na čiaru absorpcie cieľového plynu.
(2) Laserový lúč prechádza plynovou bunkou obsahujúcou vzorku, ktorá sa má merať.
(3) Plyn absorbuje časť laserového svetla pri jeho charakteristickej vlnovej dĺžke, zatiaľ čo zvyšné svetlo sa prenáša.
(4) Fotodetektor zachytáva prenášané alebo odrazené svetlo a premieňa ho na elektrický signál.
(5) Systém analyzuje signál pomocou algoritmov detekcie uzamknutia, demodulácie alebo Fourierovej transformácie na výpočet koncentrácie plynu podľa Beer-Lambertovho zákona.
|
Komponent |
Popis funkcie |
|
DFB laser |
Dodáva jednorežimový laserový zdroj s úzkou šírkou čiary. Jeho emisná vlnová dĺžka je vyladená reguláciou teploty tak, aby skenovala cez charakteristickú absorpčnú čiaru cieľového plynu, zatiaľ čo vstrekovací prúd je modulovaný pri vysokej frekvencii pre merania spektroskopie s moduláciou vlnovej dĺžky (WMS). |
|
Gas Cell |
Utesnená komora obsahujúca cieľový plyn a poskytujúca definovanú dĺžku optickej dráhy na meranie absorpcie. Voliteľné moduly riadenia teploty a tlaku zlepšujú stabilitu merania a znižujú chyby spôsobené zmenami prostredia. |
|
Fotodetektor (PD) |
Prevádza optický signál po interakcii s plynom na elektrický signál pre následné zosilnenie, demoduláciu a analýzu koncentrácie. |
|
Rozdeľovač lúčov/spojka optických vlákien |
Rozdeľovač lúčov sa zhoduje s optickým systémom s voľným priestorom, zatiaľ čo vláknová spojka sa hodí pre celovláknové nastavenie. Rozdeľuje laser na referenčnú a meraciu dráhu. Referenčný signál sa používa na kompenzáciu kolísania výkonu lasera a zlepšenie presnosti merania (voliteľné). |
|
Systém spracovania signálu |
Zosilňuje slabé signály fotodetektora a vykonáva demoduláciu spektroskopie s moduláciou vlnovej dĺžky (WMS), vrátane extrakcie harmonických 1f/2f, na získanie informácií o absorpcii plynu a určenie koncentrácie plynu. |
|
Počítač / riadiaci systém |
Poskytuje riadenie systému, konfiguráciu parametrov, zber dát, spracovanie signálov, výpočet koncentrácie, ukladanie dát a vizualizáciu výsledkov meraní v reálnom čase. |
760nm 10mW DFB motýľová laserová dióda
1392nm 10mW DFB motýľová laserová dióda
1683nm 10mW vláknový laser
Vysokovýkonný 1653,7nm 40mW DFB Butterfly laser
1651nm DFB vláknová laserová dióda
1625nm DFB BTF laserová dióda
1567nm DFB motýľová laserová dióda
1580nm laserová dióda DFB SM PM
Q1: Aká vlnová dĺžka DFB lasera sa zvyčajne používa v TDLAS?
A1:
|
|
Plyn |
vlnová dĺžka (nm) |
|
1 |
CO2 |
1572.45 |
|
2 |
O2 |
760 |
|
3 |
CH4 |
1653 |
|
4 |
N2O |
1392/2257 |
|
5 |
CO |
1566 |
|
6 |
NH3 |
1512.2 |
|
7 |
SO2 |
7160 |
|
8 |
NIE |
1800/2650 |
|
9 |
H2S |
1574,5/1590 |
|
10 |
C3H8 |
3370 |
|
11 |
SF6 |
1576.3 |
|
12 |
C2H2 |
1531,64/1521 |
|
13 |
C2H4 |
1625.9 |
|
14 |
C2H6 |
1683.1 |
|
15 |
HCI |
1742 |
|
16 |
HF |
1278/1273 |
|
17 |
HCN |
1540 |
Q2: Vyžaduje laser DFB izolátor?
Odpoveď 2: Optické izolátory sa odporúčajú v systémoch TDLAS na báze vlákien alebo v konfiguráciách s výrazným optickým spätným odrazom. Môžu byť tiež prospešné vo voľnom priestore, kde existujú zvyškové odrazy. Izolátor potláča optickú spätnú väzbu, zabraňuje preskakovaniu režimov, nestabilite frekvencie a kolísaniu výstupného výkonu, čím zaisťuje stabilnú prevádzku lasera s jedným režimom a lepšiu stabilitu základnej línie merania.
Otázka 3: Prečo je laser DFB preferovaným zdrojom svetla pre TDLAS namiesto lasera FP alebo VCSEL?
A3: Lasery DFB, integrované Braggove mriežky, poskytujú stabilné jednofrekvenčné vyžarovanie s úzkou šírkou čiary s vysokým SMSR (>35 dB) a ladením bez skokov v režime. Na porovnanie, lasery FP vykazujú emisiu vo viacerých pozdĺžnych režimoch a obmedzenú stabilitu vlnovej dĺžky, zatiaľ čo VCSEL zvyčajne ponúkajú obmedzený rozsah ladenia, ktorý nemusí úplne pokryť požadované absorpčné vlastnosti. Vynikajúca spektrálna čistota a stabilita ladenia laserov DFB výrazne zlepšujú harmonickú detekciu SNR, vďaka čomu sú preferovaným zdrojom svetla pre vysoko presné snímanie plynu WMS-TDLAS (1f/2f).
Q4: Aké možnosti balíka sú k dispozícii pre lasery TDLAS DFB?
A4: Dva bežné balíčky:
①14-kolíkový Butterfly balíček: Integruje TEC, NTC termistor a monitorovú fotodiódu s voliteľným optickým izolátorom. Je široko používaný vo vysoko presných systémoch TDLAS s optickými vláknami vyžadujúcimi presnú stabilizáciu teploty a výkonu.
②TO-can (TO5/TO46): Kompaktné riešenie navrhnuté pre konfigurácie s voľným priestorom alebo s kolimovaným výstupom. Zvyčajne nemá integrované riadenie TEC a môže vyžadovať vonkajšiu stabilizáciu teploty. Je vhodný pre nákladovo citlivé a miniaturizované aplikácie na snímanie plynu s otvorenou dráhou.
-
