Nei sistemi di rilevamento del gas TDLAS, il laser DFB (Distributed Feedback) funge da sorgente luminosa principale. I laser DFB sono caratterizzati da larghezze di linea ridotte, uscita in modalità longitudinale singola, elevata stabilità della lunghezza d'onda e sintonizzazione precisa. La loro lunghezza d'onda di emissione può essere adattata con precisione alla linea di assorbimento del gas target e regolata con precisione tramite la temperatura o la corrente di pilotaggio per consentire la scansione e il rilevamento attraverso il picco di assorbimento, rendendoli la scelta ideale per il monitoraggio dei gas industriali, l'analisi ambientale e la ricerca scientifica.
(1) Il laser DFB emette un raggio laser monomodale coerente con una lunghezza d'onda sintonizzata sulla linea di assorbimento del gas target.
(2) Il raggio laser passa attraverso una cella a gas contenente il campione da misurare.
(3) Il gas assorbe parte della luce laser alla sua lunghezza d'onda caratteristica, mentre la luce rimanente viene trasmessa.
(4) Un fotorivelatore cattura la luce trasmessa o riflessa, convertendola in un segnale elettrico.
(5) Il sistema analizza il segnale utilizzando algoritmi di rilevamento lock-in, demodulazione o trasformata di Fourier per calcolare la concentrazione di gas secondo la legge di Beer-Lambert.
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Componente |
Descrizione della funzione |
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Laser DFB |
Fornisce una sorgente laser monomodale a larghezza di linea stretta. La sua lunghezza d'onda di emissione è sintonizzata tramite il controllo della temperatura per eseguire la scansione attraverso la caratteristica linea di assorbimento del gas target, mentre la corrente di iniezione è modulata ad alta frequenza per misurazioni di spettroscopia a modulazione di lunghezza d'onda (WMS). |
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Cella a gas |
Una camera sigillata contenente il gas target e che fornisce una lunghezza del percorso ottico definita per la misurazione dell'assorbimento. I moduli opzionali di controllo della temperatura e della pressione migliorano la stabilità della misurazione e riducono gli errori causati dalle variazioni ambientali. |
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Fotorivelatore (PD) |
Converte il segnale ottico dopo l'interazione con il gas in un segnale elettrico per la successiva amplificazione, demodulazione e analisi della concentrazione. |
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Divisore di fascio/accoppiatore per fibra ottica |
Il divisore di fascio si adatta a un sistema ottico in spazio libero, mentre l'accoppiatore in fibra si adatta a una configurazione interamente in fibra. Suddivide il laser in percorsi di riferimento e di misurazione. Il segnale di riferimento viene utilizzato per compensare le fluttuazioni della potenza del laser e migliorare la precisione della misurazione (opzionale). |
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Sistema di elaborazione del segnale |
Amplifica i segnali deboli del fotorilevatore ed esegue la demodulazione della spettroscopia di modulazione della lunghezza d'onda (WMS), inclusa l'estrazione armonica 1f/2f, per ottenere informazioni sull'assorbimento del gas e determinare la concentrazione del gas. |
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Sistema informatico/di controllo |
Fornisce il controllo del sistema, la configurazione dei parametri, l'acquisizione dei dati, l'elaborazione del segnale, il calcolo della concentrazione, l'archiviazione dei dati e la visualizzazione in tempo reale dei risultati delle misurazioni. |
Diodo laser a farfalla DFB da 760 nm 10 mW
Diodo laser a farfalla DFB da 1392 nm 10 mW
Laser accoppiato a fibra da 1683 nm 10 mW
Laser a farfalla DFB da 1653,7 nm e 40 mW ad alta potenza
Diodo laser accoppiato a fibra DFB da 1651 nm
Diodo laser DFB BTF da 1625 nm
Diodo laser a farfalla DFB da 1567 nm
Diodo laser PM DFB SM da 1580 nm
Q1: Quale lunghezza d'onda del laser DFB viene generalmente utilizzata in TDLAS?
A1:
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Gas |
Lunghezza d'onda (nm) |
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1 |
CO2 |
1572.45 |
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2 |
O2 |
760 |
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3 |
CH4 |
1653 |
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4 |
N2O |
1392/2257 |
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5 |
CO |
1566 |
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6 |
NH3 |
1512.2 |
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7 |
SO2 |
7160 |
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8 |
NO |
1800/2650 |
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9 |
H2S |
1574,5/1590 |
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10 |
C3H8 |
3370 |
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11 |
SF6 |
1576.3 |
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12 |
C2H2 |
1531.64/1521 |
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13 |
C2H4 |
1625.9 |
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14 |
C2H6 |
1683.1 |
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15 |
HCI |
1742 |
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16 |
HF |
1278/1273 |
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17 |
HCN |
1540 |
Q2: Il laser DFB richiede un isolatore?
R2: Gli isolatori ottici sono consigliati nei sistemi TDLAS basati su fibra o in configurazioni con significativa retroriflessione ottica. Possono anche essere utili nelle configurazioni in spazio libero in cui esistono riflessioni residue. L'isolatore sopprime il feedback ottico, impedendo il salto di modalità, l'instabilità di frequenza e le fluttuazioni della potenza di uscita, garantendo così un funzionamento stabile del laser monomodale e una migliore stabilità della linea di base della misurazione.
D3: Perché il laser DFB è la sorgente luminosa preferita per TDLAS anziché il laser FP o VCSEL?
A3: I laser DFB, reticoli di Bragg integrati, forniscono un'emissione stabile a frequenza singola, con larghezza di linea stretta con SMSR elevato (>35 dB) e sintonizzazione senza salti di modalità. In confronto, i laser FP mostrano un’emissione in modalità multi-longitudinale e una stabilità limitata della lunghezza d’onda, mentre i VCSEL offrono tipicamente un intervallo di sintonizzazione limitato che potrebbe non coprire completamente le caratteristiche di assorbimento richieste. La purezza spettrale superiore e la stabilità di sintonizzazione dei laser DFB migliorano significativamente l'SNR di rilevamento armonico, rendendoli la sorgente luminosa preferita per il rilevamento di gas WMS-TDLAS (1f/2f) ad alta precisione.
Q4: Quali opzioni di pacchetto sono disponibili per i laser TDLAS DFB?
A4: Due pacchetti tradizionali:
①Pacchetto Butterfly a 14 pin: integra un TEC, un termistore NTC e un fotodiodo di monitoraggio, con un isolatore ottico opzionale. È ampiamente utilizzato nei sistemi TDLAS accoppiati a fibra ad alta precisione che richiedono una precisa stabilizzazione della temperatura e della potenza.
②TO-can (TO5/TO46): una soluzione compatta progettata per configurazioni di uscita a spazio libero o collimate. In genere manca il controllo TEC integrato e potrebbe richiedere la stabilizzazione della temperatura esterna. È adatto per applicazioni di rilevamento di gas a percorso aperto miniaturizzate e sensibili ai costi.
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