Spektroskopia przestrajalnego lasera diodowego - teoria i podstawy

Analizatory gazów z technologią przestrajalnego lasera diodowego zostały zastosowane po raz pierwszy w latach 90-tych ubiegłego stulecia. Analizatory te cieszą się coraz większą popularnością, a wzrost zainteresowania tego typu analizatorami wynika z ich doskonałej sprawności i niezawodności. Technologia przestrajalnego lasera diodowego (TDL) jest ciągle rozwijana. Czujniki wykorzystujące tą technologię są wybierane przez różne firmy działające w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. 

Krótki przegląd spektroskopii z przestrajalnym laserem diodowym (TDLS)
Spektroskopia z przestrajalnym laserem diodowym (TDLS) jest bardzo czułą, selektywną techniką analizy gazów in situ, która wykorzystuje wąską szerokość linii i elastyczność długości fal laserów półprzewodnikowych. Dostrajając laser diodowy do określonych linii absorpcji molekularnej, TDLS umożliwia ilościowe pomiary cząstek śladowych w czasie rzeczywistym w złożonych środowiskach procesowych.

1. Podstawowe zasady
• Prawo Beera-Lamberta: TDLS opiera się na wykładniczym tłumieniu intensywności lasera podczas przechodzenia przez ośrodek absorpcyjny. Przenoszona intensywność I przez długość drogi L odnosi się do współczynnika absorpcji α(ν) i stężenia gatunków c poprzez:
I(ν) = I₀(ν) · exp[–α(ν) · L]
W przypadku słabej absorpcji (αL ≪ 1) upraszcza to do liniowej zależności między absorpcją a stężeniem.

• Selektywność spektralna: Każdy gaz wykazuje dyskretne cechy absorpcyjne (linie) w bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni. Dostrajając długość fali lasera w wybranym przejściu, TDLS izoluje pojedynczy gatunek, minimalizując zakłócenia krzyżowe.

2. Schematy wykrywania
2.1 Bezpośrednia spektroskopia absorpcyjna (DAS)
• Częstotliwość lasera jest skanowana powoli przez linię absorpcyjną.
• Szybka modulacja wysokiej częstotliwości może być nałożona w celu przesunięcia detekcji do pasma wolnego od szumów, a następnie analogowego odjęcia nachylenia linii bazowej.
• Normalizacja (I/I₀) i dopasowanie krzywej do znanego kształtu linii, koncentracji plastyczności i parametrów kształtu linii.

Wyzwania: Intensywność szumów lasera (szczególnie przy niskich częstotliwościach) i efekty etalonowe mogą ograniczać czułość do ~10⁻⁵ absorbancji bez skomplikowanego tłumienia szumów.

2.2 Spektroskopia modulacji długości fali (WMS)
• Do skanowania długości fali dodawana jest niewielka modulacja sinusoidalna.
• Informacje o absorpcji pojawiają się przy harmonicznych częstotliwości modulacji (np. 2f), umożliwiając wykrywanie wąskopasmowe i lepsze tłumienie szumów.
• Dopasuj krzywą sygnał harmoniczny, aby wyodrębnić amplitudę i szerokość linii w czasie rzeczywistym.

Zalety:
– Zwiększona czułość (często absorbancja 10⁻⁶–10⁻⁷)
– Wbudowane tłumienie linii bazowej
– Pobieranie w czasie rzeczywistym rzeczywistych warunków procesu

3. Łagodzenie hałasu i kalibracja
• Układ podwójnej wiązki: Podział wiązki na ścieżki pomiarowe i referencyjne może wyeliminować szumy lasera w trybie wspólnym, ale wymaga rygorystycznej równowagi optycznej.
• Komórka referencyjna: Komórka gazowa on-line o znanym stężeniu kalibruje amplitudę modulacji i uwzględnia dryft indeksu modulacji częstotliwości lasera (FM). To podejście "samokalibrujące" zachowuje dokładność w czasie.

4. Względy praktyczne
• Długość ścieżki: Dłuższe ścieżki optyczne zwiększają czułość, ale grożą nadmiernym tłumieniem szerokopasmowym (kurz, zanieczyszczenia szyb) i wymagają starannej normalizacji.
• Spektroskopowe bazy danych: parametry linii pochodzą z bibliotek HITRAN/HITEMP lub PNNL; Aplikacje wysokotemperaturowe wykorzystują bazę danych HITEMP.

5. Aplikacje i Outlook
TDLS doskonale radzi sobie z monitorowaniem gazów spalinowych (O₂, CO, CO₂, H₂O), kontrolą procesów (wykrywanie wycieków węglowodorów, wyciek amoniaku) oraz wykrywaniem środowiska (emisje, gazy ulotne). Ciągłe postępy w dziedzinie kaskadowych laserów kwantowych w średniej podczerwieni oraz kompaktowej, wytrzymałej optomechaniki obiecują dalszą poprawę czułości, selektywności i możliwości wykorzystania w terenie.

Wniosek: Spektroskopia z przestrajalnym laserem diodowym oferuje niezrównaną selektywność i szybkie, ilościowe pomiary gazów. Dzięki zaawansowanym strategiom modulacji i kalibracji, TDLS nadal wyznacza standardy w zakresie wykrywania gazów śladowych w zastosowaniach przemysłowych i środowiskowych.

W bezpłatnym przewodniku przedstawiliśmy teorię spektroskopii absorpcyjnej oraz zamieściliśmy aplikacje procesowe i aplikacje związane z bezpieczeństwem, w których z powodzeniem zastosowano analizatory wykorzystujące technologię przestrajalnego lasera diodowego.

W przewodniku zamieszczono m. in. następujące artykuły:

• Przekłady zastosowania technologii TDL
• Spektroskopia – absorpcja modułowa
• Zalety technologii TDL w procesowej analityce gazów
• Techniki przetwarzania sygnału dla spektroskopii TDL
• Spektroskopia z modulacją długości fali
• Normalizacja i kalibracja
• Techniki modulacji próbki
• i inne.

Aby dowiedzieć się więcej przeczytaj bezpłatny przewodnik

Miłej lektury,

Zespół METTLER TOLEDO.