光源和检测器中的光子气体分析探头升级

在不断增长的需求的推动下，人们正在寻找更好的气体分析仪。例如，根据职业安全与健康管理局 (OSHA) 的规定，硫化氢是一种工业副产品，在密闭空间内工人的允许接触限值为百万分之 20 (ppm)。越来越严格的甲烷等温室气体排放法规也在推动采用。

基于光子学的气体分析采用了许多技术和组件技术，包括光源和检测器，以及一系列反射镜、透镜、光栅和其他光学组件。但是所有这些技术和系统都有效地采用了相同的方法来收集数据：它们通过包含在非常特定路径长度内的气体样本发送特定波长的光，并根据光能与样本的相互作用来收集数据。产生的信号数据取决于光的强度和路径长度——两者都是可控的，因此是已知的变量——以及吸收分子的浓度。

“根据经验，路径长度越长，测量的灵敏度就越高，”Hamamatsu 产品经理 Gary Spingarn 说。

许多感兴趣的气体在 1 至 3 μm 的短波红外 (SWIR) 波段或 3 至 5 μm 的中红外范围内具有吸收峰。

与 GPS 和基于云的数据库相连的车载气体分析仪（顶部）提供了一个移动平台，可以绘制甲烷羽流图并帮助监测埋地管道基础设施的健康状况（底部）。由 Picarro 提供。

Spingarn 指出，中红外吸收通常最强。例如，温室气体 CO ₂在 4.26、2.04 和 1.57 μm 处有强烈吸收。第一个波长是 CO ₂检测的常见目标，因为气体在该波长的吸收比其他两个波长强几个数量级。

Hamamatsu 针对气体分析选择的中红外探测器材料是砷化铟锑 (InAsSb)。除了能够很好地检测 1 到 11 μm 之间的波长外，该材料还符合限制使用铅、镉和其他重金属的有害物质限制 (RoHS) 法规。

Hamamatsu 还提供在此范围内运行的 LED 和量子级联激光器。在这两者中，LED 更便宜，但使用它们的传感器仅在低至 ppm 范围内有效。Spingarn 说，量子级联激光器凭借其更亮的发射和较窄的相干光束，将检测范围扩展到该范围以下，这进一步允许长路径长度以提高灵敏度。

许多对环境或工业具有重要意义的气体都具有红外吸收带。由滨松提供。

当在气体的基本共振波长下探测时，气体吸收及其检测是最有效的。例如，CO ₂在基波处吸收最多，在一次和二次谐波处具有较小的峰值。由滨松提供。

VIGO Photonics 提供基于各种材料技术的组件解决方案。根据 Jedrzej Mijas 的说法，借助合适的光源，该公司的锑化铟镓 (InGaSb) 和砷化铟/锑化砷化铟 (InAs/InAsSb) 超晶格检测器模块能够检测低至十亿分之一或十亿分之一的气体浓度， VIGO 的技术支持和销售工程师。

“这只是一个粗略的数字，比方说甲烷，”他说。“当然，它因气体和应用而异。”

Mijas 说，检测甲烷和监测其他温室气体是一个主要的增长领域，它推动了对更便携、更节能和性能更好的现场仪器的需求。除了使光源和检测器组件小型化之外，实现这些目标还需要具有更短光程长度的仪器。

Mijas 说，应对这一挑战的一个解决方案是使用在中红外区工作的更高强度的 LED，这将通过气体样品泵送更多的光子，同时仍然比热发射器等其他廉价来源消耗更少的功率。

VIGO 的检测器模块针对 2 至 16 μm 之间的气体检测和分析应用。Mijas 表示，检测器技术还有改进的空间，但开发在此范围内具有更高光输出的光源是提高性能的更大挑战。

艾默生产品管理总监露丝林德利 (Ruth Lindley) 表示，更广泛的可调谐激光器还可以提高气体分析系统的性能。这样的发展将有助于该公司减少其气体检测仪器中的激光器数量，同时保留扫过大量气体共振波长的能力。

艾默生的罗斯蒙特气体分析仪包括具有多达六个中红外量子级联激光器和 SWIR 可调谐二极管激光器的型号。有些还包含两个不同的检测器，以覆盖从 SWIR 到中红外的广泛波长范围。

艾默生的仪器采用了获得专利的线性调频技术。“我们以非常快的速度脉冲激光，这意味着在任何时候只有一个激光打开，”林德利说。

按顺序和短暂地发射激光可以减少功耗和废热，这有助于温度稳定并提高系统稳定性和性能。检测限在亚 ppm 范围内，适用于工业厂房的连续排放监测、过程和产品质量控制以及气雾罐和食品包装等产品泄漏检测等应用。

更好的检测器

mirSense 首席执行官 Mathieu Carras 反对对更好光源的呼声，他说当他的公司开始探索气体分析仪解决方案时，他看到了更多改进检测器组件的机会。该公司的产品发光波长在 3.5 至 25 μm 之间。

虽然半导体检测器在此范围的低端工作，但它们的信噪比会随着波长的增加而增加，并且它们的性能会在 10 μm 以上降低。更重要的是，其中一些传感器在它们的本底噪声和饱和度之间有一个小的检测窗口。一种解决方法是将激光器的输出功率限制在 1 mW 左右，但这并不是此类光源的有效使用。

“在中红外范围内没有便宜、高效的探测器，”Carras 说。

因此，mirSense 的设计人员选择将光声方法应用于气体分析，保留激光源但完全取消光子检测器。

在这种方法中，具有容易吸收的共振频率的光子将能量泵入样品中的目标气体分子，从而导致分子发出麦克风可以接收到的声波。使用这种技术，mirSense 构建了一个工业气体传感器，它将两个量子级联激光器、一个麦克风、一个样品室和所有支持电子设备整合到一个 1- × 1-in. 根据卡拉斯的说法，气缸消耗 1 W 来执行分析。

光声方法能够检测到百万分之一以下，足以用于许多工业环境。Carras 承认，量子级联激光器的成本相对高于其他光源，但 mirSense 拥有专利方法，可以通过减少制造此类激光器所需的加工步骤来降低组件成本，他说。在足够大的数量下，这种方法可以将激光器的成本降低到每件 1 美元以下——比目前在此范围内运行的量子级联激光器的成本低几个数量级。

Picarro 研究员 Chris Rella 对气体分析所需的组件改进提出了另一种观点，他没有歧视。他说，每个组件都可以改进。

Rella 说，虽然中红外是检测化学特征的理想光谱范围，但它并不是最有利于优化系统性能的光谱区域。Picarro 制造的腔衰荡光谱仪能够进行十亿分之一甚至万亿分之一的浓度检测。

为实现这种灵敏度，Picarro 的系统将用于探测 SWIR 范围内目标波长的窄可调谐激光器与匹配检测器、波长监视器和无源光学腔相结合。该公司的腔衰荡光谱仪的关键是形成样品腔的 99.999% 反射镜。

在操作中，系统将激光发射到光谱仪腔中捕获的气体中，然后在记录光变得无法检测所需的时间之前关闭激光。衰荡时间直接对应于目标分子的浓度。响铃时间越长，浓度越低。

腔衰荡光谱通过使用反射镜显着延长气体分析仪光腔的路径长度来检测浓度极低的气体分子。由 Picarro 提供。

高反射镜的使用允许非常小的腔体提供用于检测目的的极长的路径长度。光脉冲在一英尺长的空腔内的镜子之间可以进行的往返次数可以转化为 20 英里的路径长度，这使得能够测量极小的气体浓度。

“我们正在创造一个非常精细的空腔，”Rella 说。“这个空腔中有大量的往返行程。大约有 100,000 个。”

将 Picarro 的系统安装在车辆上可以检测到非常微弱的甲烷羽流，从而使公用事业公司能够确定附近的输气基础设施在哪里出现故障并需要维修。这不仅可以通过减少强效温室气体的排放来改善气候，还可以帮助防止潜在的爆炸性泄漏。

不同的气体分子在不同的波长处表现出峰值吸收（顶部）。虽然一些气体分析系统包含多个激光器以探测尽可能宽的光谱，但增加更多光源会增加费用。一种有助于降低成本的替代方法是使用较少的具有广泛可调范围的激光器。TDL：可调谐二极管激光器；QCL：量子级联激光器。由 mirSense 提供。

光声效应将激光脉冲对准气体样品以沉积能量，当气体分子松弛时，能量被转换成声波，可以被麦克风拾取并进行分析（底部）。这种方法避免了寻找或设计针对特定波长的光电探测器的需要。由 mirSense 提供。

尽管 Picarro 当前的产品组合以中红外波长为目标，但为该范围设计的反射镜质量相对较低，最初促使该公司考虑使用为较短波长设计的反射镜。Rella 表示，在提高该光谱区域的产品性能方面，整个行业都在不断取得进展，他预测，可用的中红外激光器、检测器、光纤和反射镜将越来越多。

未来检测

无论组件有何改进，大多数气体分析仪器制造商都采访了他们系统的计划改进。

例如，Picarro 正在努力将一种结合宽带红外激光的方法商业化，Rella 说这种方法可能会改变分子检测的游戏规则，因为它可以测量目前难以使用其他基于激光的方法测量的挥发性有机化合物。

Hamamatsu 的 Spingarn 表示，该公司将继续开发具有改进的室温操作和扩展光谱范围的探测器。他还强调了旨在使量子级联激光器可调谐且成本更低的工作。

制造这种激光器涉及一个批处理过程，其中有许多固定成本不会随着产量的增加而增加。因此，大批量应用有助于降低通常是基于光子学的气体分析仪中最昂贵组件的成本。

在讨论制造量子级联激光器的这种动态时，斯平加恩说，“如果你能提高产量，就能降低成本。”