Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

System detekcji gazów wykorzystującylasery kaskadowemgr inż. MARCIN MICZUGA, dr inż. MIROSŁAW KWAŚNYWojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, WarszawaW ostatnich 20. latach obserwuje się gwałtowny wzrost zainteresowaniaczujnikami optycznymi i ich aplikacjami w ochronieśrodowiska, medycynie, technice wojskowej. badaniachatmosfery, poszukiwaniach gazu ziemnego i ropy naftowej.Postępy w technologii laserów w obszarze bliskiej i średniejpodczerwieni oraz spektroskopowych metodach detekcjiumożliwiają wykrywanie śladowych zanieczyszczeń gazowychna poziomie ppm (część na milion) i ppb (część na miliard).Kwantowe lasery kaskadowe (Quantum Cascade Lasers- QCL’s) zostały po raz pierwszy zaprezentowane przez LaboratoriumBella w 1994 r. Od tamtego czasu dzięki postępowijaki dokonał się w technologii ich wytwarzania orazpoprawie ich parametrów technicznych, stały się one jednymiz powszechnie stosowanych źródeł promieniowania IR. Praktycznezastosowanie tych laserów zostało przyspieszonedzięki korzyściom, jakie może przynieść ich wykorzystaniew takich dziedzinach jak: dalmierze laserowe, elektroniczneśrodki przeciwdziałania, telekomunikacja oraz detekcja substancjichemicznych. Na tym ostatnim polu największe korzyścimożna osiągąć w wyniku połączenia laserówkaskadowych z obecnie znanymi metodami detektekcjigazów. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie bardzo dużejczułości i selektywności układów detekcji substancji chemicznych.Układy takie mogą znaleźć szerokie zastosowaniew monitoringu środowiska naturalnego, ochronie zdrowiai diagnostyce medycznej, przemyśle zbrojeniowym orazurządzeniach stosowanych w systemach bezpieczeństwa.Praktyczne wykorzystanie laserów kaskadowych w spektroskopiinastąpiło we wczesnych latach dziewięćdziesiątychXX w. wraz z dążeniem do wykorzystania w spektroskopiiźródeł promieniowania obejmujących pełny zakres widmowyśredniej podczerwieni 3...25 µm. W wyniku tego powstałydwie metody bezpośredniej spektroskopii absorpcyjnej. Metodyte, znane jako spektroskopia z przestrajaniem międzyimpulsowymoraz spektroskopia z przestrajaniemwewnątrzimpulsowym, rozwijane były w celu maksymalnegowykorzystania zalet laserów kaskadowych używanychw spektrometrach.W spektroskopii międzyimpulsowej wykorzystuje się laserkaskadowy pracujący w trybie impulsowym, co umożliwia jegopracę w temperaturze pokojowej lub zbliżonej. Laser generujeultrakrótkie impulsy promieniowania quasi-monochromatycznego.Pomiędzy kolejnymi impulsami promieniowanianastępuje zmiana długości fali generowanego promieniowaniaw wybranym oknie spektralnym. Jest to realizowane poprzezzmianę prądu sterującego pracą lasera. Pracaimpulsowa lasera skutkuje zmianą długości fali generowanegoprzez laser promieniowania w trakcie impulsu, co prowadziw konsekwencji do poszerzenia linii widmowej laserai zmniejszenia rozdzielczości spektralnej. Aby zjawisko to zminimalizowaćkonieczne okazało się ograniczenie szerokościimpulsów generowanych przez laser do kilkudziesięciu nmoraz utrzymanie amplitudy impulsu blisko progu wzbudzenialasera. Typowy zakres przestrajania lasera osiągany w tej metodziewynosi 1...2 cm -1 , natomiast okres powtarzania impulsówzawiera się w granicach od dziesiątek Hz do kHz [1,2].Przestrajanie międzyimpulsowe jest bardzo często wykorzystanew spektroskopii. Jednak zawartość szumów w generowanychimpulsach laserowych oraz mały okrespowtarzania impulsów nie pozwalają osiągać tak wysokiejczułości spektrometrom stosujących metodę, jaka jestosiągana w innych technikach spektroskopowych [3].W spektroskopii wewnątrzimpulsowej, podobnie jakw spektroskopii międzyimpulsowej, wykorzystuje się laserpracujący w trybie impulsowym w temperaturze pokojowej.Jednak w tym przypadku nie przeciwdziała się zmianomczęstotliwości wewnątrz impulsu, zamiast tego częstotliwośćsygnału wewnątrz impulsu jest zmieniana w określonym zakresie.Szerokość generowanego w tej metodzie impulsuwynosi do kilku µs, natomiast amplituda prądu płynącegoprzez strukturę lasera wynosi kilka A powyżej progu wzbudzenia,co powoduje lokalne nagrzewanie się strukturyiwkonsekwencji zmianę częstotliwości generowanego promieniowania.Typowy zakres przestrajania zawiera sięw 4...6 cm -1 . Rozdzielczość spektralna w tym przypadkuokreślana jest przez chwilową szerokość linii widmowej lasera,która zmienia się wraz z długością fali. Typowy laserkwantowy, pracujący ze zmianą częstotliwości wewnątrz impulsupozwala osiągnąć rozdzielczość spektralną większąniż 0,001 cm -1 . Jest to rozdzielczość znacznie większa niżw metodzie z międzyimpulsową zmianą częstotliwości.Częstotliwość powtarzania impulsów może dochodzić do100 kHz, co umożliwia uśrednianie widma i zapewnia doskonałystosunek S/N [4,5].Postęp, jaki dokonał się w spektroskopii laserowej dziękiwykorzystaniu laserów kaskadowych oraz technologii przestrajaniawewnątrzimpulsowego otworzył nowe możliwościpraktycznego zastosowania bezpośredniej spektroskopii absorpcyjnej.Możliwość przestrajania lasera kaskadowegow szerokim zakresie długości fali generowanego promieniowania(wartości większe o rząd niż innych laserów półprzewodnikowych)umożliwia wykrywanie pięciu lub sześciurodzajów gazów za pomocą spektrometru wykorzystującegojeden laser. Pozwala to na zastosowanie spektrometrów laserowychw takich dziedzinach, jak ochrona zdrowia i monitoringśrodowiska. Do czasu opracowania i wprowadzenia doprodukcji laserów kaskadowych, laserowe spektrometry absorpcyjnebyły wykorzystywane rzadko w tych dziedzinach zewzględu na konieczność stosowania złożonych układów wielolaserowychi wynikającą z tego wysoką cenę spektrometrów.Szeroki zakres przestrajania oraz bardzo dużaselektywność mogą zostać wykorzystane w systemach spektrometrówwielolaserowych w celu uzyskania szerokopasmowegopokrycia spektralnego umożliwiającego identyfikacjękompleksów ciężkich molekuł, znajdujących się m.in. w toksynachchemicznych, materiałach wybuchowych oraz narkotykach.Duży zakres dynamiczny, bardzo wysoka czułośćoraz duża odporność na uszkodzenia i wysoka niezawodnośćwynikająca z zastosowania technologii półprzewodnikowej eliminujewiele problemów technologicznych i ograniczeń występującychw innych stosowanych w tych dziedzinachspektrometrach [6].86 ELEKTRONIKA 5/2009