量子级联激光光谱技术在大气环境检测中的运用分析

王 巍

（深圳市生态环境监测站，广东 深圳 518000）

引言

以温室气体、酸性气体、还原性气体等为代表的大气中的痕量气体浓度对大气环境质量变化具有至关重要的影响，如何掌握大气环境中痕量气体浓度的动态变化情况，能够为工业生产及生态环境保护等相关工作提供充分的技术支持与依据。相关技术研发人员及从业者应明确量子级联激光光谱技术在大气环境当中的应用价值，进而为相关领域的研究提供支持。

1 量子级联激光光谱技术概述与主要特点

1.1 量子级联激光光谱技术概述

量子级联激光光谱技术指的是依托量子级联激光器实现对气体目标进行光谱检测的一种技术手段。在量子级联激光器中，激光的产生仅仅由电子参与并作用，基于导带及其内部的电子，能够实现有源区不同量子阱能级间粒子数的反转，使激光得以辐射，实现电子的周期性输送与传递，进而形成级联激光。

1.2 量子级联激光光谱技术的主要特点

20世纪90年代中期，学界首次采用量子级联激光光谱技术对目标气体进行了检测与分析，同时在相关领域得到了较为广泛的运用。具体来说，量子级联激光光谱技术的优势与特点主要涵盖以下几方面内容。

1.2.1 电子利用效率较高

在传统的半导体激光器的辐射作用下，电子与空穴相遇后即完成了预期目标，利用效率较为低下，系统能耗较高，而采用量子级联激光器进行激光生成及气体检测工作，能够实现对有源区的层次串联，实现对电子的重复性利用，有效提升检测过程中电子利用效率，充分降低激光器气体检测能耗，为强化气体检测效率提供了技术支持[1]。

1.2.2 红外波段可调

在依托量子级联激光器对目标气体进行检测的过程当中，有效规避了空穴效应对波段产生的影响，技术人员能够按照气体检测工作实际要求在检测过程当中对系统结构及红外波段进行实时调整，减少因材料问题对气体检测实验造成的限制，使材料类别、实验界面、生长速度等指标都能够得到相应调整，有效避免传统半导体激光器进行气体检测过程中所面临的一系列局限性问题。

1.2.3 增益谱窄

在激光测量技术的应用过程当中，增益谱指的是光子在增益状态下数量与光波长之间的比重关系，从传统半导体激光器及量子级联激光器二者之间的差异性表现来看，量子级联激光器属于单极型器件，不需要空穴效应的辅助与支持，仅依靠系统当中的电子产生光子就可生成持续稳定的激光。与此同时，其试验的结果表现较为稳定，载流子跃迁过程中的形态基本保持一致，增益谱较为狭窄，避免了密度指标对电流造成的限制。

1.2.4 响应速度较快

传统半导体激光器往往需要经历较长的带间复合时间，这对于激光器的响应速度产生了一定的影响。而引进量子级联激光器后，其弛豫时间较短，响应速度较快，能够适应现代技术发展的目标要求。

1.2.5 环境适应能力较好

半导体激光器需要依赖电子在空间当中进行跃迁，其受到外界环境的影响较为明显，如受到温度影响会产生俄歇效应，电子能量往往不够稳定。而在量子级联激光器的运行过程当中，内部子带呈现较为明显的平行效应，粒子较为稳定，对差异化环境的适应能力较好。

2 气体光谱检测装置介绍

在选用量子级联激光器进行气体检测之前，技术人员需要对气体光谱检测装置的形态特征及运行情况进行简要分析，为后续试验活动的开展做好技术准备。本次研究选用了QCLAS检测系统，光源选用了中红外DFB-QCL，中心波长为8.91μm，调节范围为8.944～8.900μm。对检测装置的功能模块进行分析发现，其内部功能模块与元件主要包括QCL芯片、半导体制冷模块、温控模块及输出光准直模块。为适应气体光谱检测工作开展特点，契合量子级联激光器运行要求，可将光学多通池作为光子吸收池，有效光程为26.88 m，最高运行温度为230 ℃。通过对低频三角波扫描信号进行放大与叠加，能够得到多通高频正弦信号，可用于气体检测及相关处理工作[2]。

2.1 装置调试

首先，需要对激光模块的驱动控制模式进行测试与分析。在本文所述气体光谱检测系统内部，主要涉及方波信号及直流偏置电流等两项主要信号，为适应气体检测目标，促使量子级联激光器内部控制更加便捷，将方波信号的频率设定为100 kHz，将偏置电流的值设定为30 mA，经调试，能够在一定程度上保障激光器检测的稳定性。此外，除了驱动模式的测试与分析外，还需对激光器的驱动电流进行选定与分析。为进一步强化激光器检测工作的可靠性，同时考虑激光器的运行、使用成本，将激光器的驱动能源设定为190 ns脉冲电流，经检测与验证过后发现，受脉冲源阻抗的影响，接收到的方波信号前端存在小幅度的振荡现象，因此在对驱动控制模块进行调试与检测的过程当中，相关技术人员应当按照实际情况对脉冲电流的大小进行进一步的调节与控制，从而保障吸收信号与脉冲信号之间的位置关系，控制测试误差，提升系统调试可靠性。

其次，需要对激光器运行过程中的光路进行调试与检测。在量子级联激光器的运行过程中，大多采用反射镜组对光束进行准直与缩束，在这一过程中，对光路进行调试检测能够保障激光束的输出精度，使光谱检测结果更加准确。在对激光器光路进行调试之前，技术人员应切断激光器电源，同时采用特定材料对其输出端口进行遮挡，避免激光器内部构件受到毁损，提升激光器运行稳定性。在调试过程中，可对反射镜组的角度与位置进行调整，使激光束的输出状态及输出角度能够符合气体光谱检测要求，使目标点位获取的激光信号能够达到预期目标。

最后，需要对系统内部信号通信模块进行调试。在量子级联激光器光谱检测试验的开展过程中，通信模块的搭建与运作直接影响激光器光谱检测结果的准确性与可靠性，因此相关技术人员应结合试验方案、气体形态及光谱信号采集要求等相关指标对通信模块进行调整与控制，使其能够较为稳定地获取气体光谱检测信号，技术人员应当对激光器输出的调谐激光束强度及经气体产生的光谱信号进行记录，同时与实际试验环境进行比对，当接收模块所获取的信号稳定时，能够认定系统内部信号传输模块的运行正常，从而为气体检测实验的开展提供支持。

2.2 对量子级联激光器的性能指标作出相应判断与分析

第一，激光器的光谱扫描波数范围在1 252.95 cm-1与1 254.24 cm-1之间。当激光器的运行温度发生变化时，脉冲电流所控制的激光束扫描波束同样也发生相应变化，当温度不断下降时，激光器中的扫描激光束波束在同步提升，通过对激光器不同运行温度及扫描范围进行记录并分析得到目标气体的光谱特点，进而为气体测试与分析提供支持。具体数据见表1所示。

表1 甲醛气体吸收光谱扫描

第二，基于上文可知，在量子级联激光器的检测与扫描过程中，受到环境温度变化等相关因素的影响，激光器的扫描波束及扫描范围也会发生相应的变化，最终得到的检测结果与常温下的实际结果之间可能会产生一定的差异，因此技术人员应明确检测过程中的温度调控系数，掌握温度与激光束扫描检测范围之间的关系，从而使扫描检测工作结果更加准确可靠。经过对大气环境下甲醛气体检测、计量与分析发现，量子级联激光器扫描检测过程中的温度调控系数为-0.083 cm-1/K，随着环境温度及检测工作温度的不断上升，量子级联激光器扫描的波长越长，扫描范围越广，频率越低。

第三，需对整个系统检测运行过程中的稳定性状态进行分析与研究。在以往半导体激光器对气体进行的检测实验开展过程中，受到技术因素的影响和限制，往往导致最终检测的稳定性存在一定不足，随着时间的不断推移，激光器所反馈的检测结果与大气环境下气体的实际情况之间往往会产生一定的差异，导致检测结果出现区间偏移的现象，影响最终结果的准确性与可靠性。因此，在进行检测的过程中，对激光器的光强进行了周期性记录，同时采用统计学方法对激光器检测过程中的稳定性进行相应分析。分析结果显示，在大气环境下对气体进行检测的量子级联激光器运行过程中，其光强的区间偏移为0.018 8，气体检测稳定性的标准偏差为0.000 7，两项重点参数指标的偏移范围均符合误差区间内，证明采用量子级联激光器对目标气体进行检测具备较好的稳定性与可靠性，相较于传统的半导体式激光器而言具备一定的性能优势。

第四，激光器的检测灵敏度验证与分析。具体来说，在对大气环境下某一目标气体的浓度进行检测的过程中，需要明确气体压强、光谱线情况及光谱谱线吸收范围，并将检测结果与实际浓度进行相互比较，具体公式为：

式中，C为大气环境下目标气体的浓度状态，为激光检测过程中气体与环境浓度之间的线性函数，MDA为大气环境下气体的最小检测吸收强度。通过将大气环境下气体浓度与实验过程当中的光谱谱线吸收情况进行相互比，能够得到常规状态下的气体检测灵敏度。在本次研究过程中，激光检测设备的灵敏度为187 ppb。

3 大气环境气体检测试验与分析

为对本文所述量子级联激光器下的光谱气体检测准确性与可靠性进行分析，现以甲烷、甲醛两种气体在大气环境中的浓度检测试验为例进行研究。具体流程与分析结果如下。

3.1 试验原理

在选用量子级联激光器对气体进行光谱检测的过程当中，遵循Beer-Lambert定律，激光束与目标气体介质之间的关系可用以下公式进行表述：

式中，I为量子级联激光器检测运行过程当中输出激光束的不同角度，α为大气环境中目标气体的吸收系数，P为大气压强，X为气体摩尔分数，S为谱线线强，为实验过程当中有关激光束与气体介质之间的线性函数，L为光谱检测实验过程当中激光束的照射路径。

在检测过程中能够发现，受到试验环境及操作流程等相关因素的影响，基于量子级联激光器对于大气环境中特定气体的检测结果可能面临噪声与外部干扰等因素的影响，严重冲击了最终检测结果的准确性与可靠性。因此相关试验人员需要分别基于激光频率、调制振幅等要素对试验环境进行调节，使激光器的检测结果更加准确，以减少外界不利因素的干扰。

3.2 甲烷与甲醛检测试验

通过对大气环境中不同气体类别进行检测与分析能够发现，以甲烷、甲醇等为代表的气体分子对于激光束的吸收能力较为明显，表现在检测结果中的强度同样也较为突出，因此能够基于其检测结果对量子级联激光器支持的气体光谱检测结果做出明确的判断与分析。在本次研究过程中，分别以甲烷、甲醛两种气体为例开展检测与分析工作。

对甲烷进行的检测试验。技术人员需要对激光束测试环境进行构建与优化。在本次研究过程中，为进一步减少外部环境对于激光束的影响，提升激光束检测结果的稳定性与可靠性，试验团队在进行环境建设的同时，严格控制量子级联激光器运行过程中的温度状态，同时做好试验过程中的真空控制工作，使最终的检测结果准确性得到充分强化与保障。此外，在对接收端光强信号进行统计与整理过后，还需要进行除噪与抗干扰处理工作，技术人员将背景中杂散光进行全面剔除，进而与检测结果进行拟合，并将试验结果与激光束谱线结果进行比对，对激光光谱检测准确性进行分析，结果显示二者之间吻合度较高。

对甲醛进行的检测试验。相较于其他气体而言，甲醛对于人体健康具有一定的危害性，因此技术人员应当做好现场保护工作，反复对试验仪器的气密性进行检查，避免出现有毒气体泄漏。技术人员同样需要按照量子级联激光器光谱检测试验的相关流程及试验要求对现场试验流程进行优化与部署，使气体的光谱信号得到准确传递与接收。结果显示，大气环境中激光束对甲醛进行的光谱检测与实际气体浓度之间同样具备较好的吻合度，激光束检测的准确性得到了相应证实。

3.3 定性分析

在试验检测过程中，需要结合激光束检测结果及其在气体光谱当中的表现情况做定性分析，再对两种目标气体的检测状态进行综合判断。分析统计结果显示，甲烷、甲醛的激光束光谱检测结果与大气环境数据库当中的气体指标相一致，因此能够认定量子级联激光光谱技术在气体检测分析领域具备一定的应用价值，借助其检测技术能够对气体当中的分子分布状态进行统计与分析，为大气环境保护领域提供技术支持。

3.4 定量分析

除定性分析外，还需要对大气环境中甲烷、甲醛两种气体进行定量分析与计算，同时对计算结果及气体的实际含量进行比对研究。经统计后发现，高强度谱线下的激光检测结果能够较为直观地对甲烷及甲醛的含量、浓度作出相应判断，同时能够进一步规避环境因素造成的干扰和影响，有效提升检测结果的准确性。

3.5 气体光谱参数研究

通过量子级联激光光谱技术对大气环境中甲烷、甲醛两种气体进行检测研究得出结论，常压下上述气体分子间的碰撞作用较弱，存在一定的非线性效应，与此同时，随着气体浓度与压强的变化，对于激光束的吸收强度也会产生一定变化，试验结果与数据库相关结果一致。

4 结语

在大气环境监测领域，量子级联激光光谱分析技术以其检测结果的全面性与可靠性可发挥重要作用。相关技术人员应明确其试验流程与注意事项，确保气体光谱分析的水平与质量。