In TDLAS-Gasmesssystemen dient der DFB-Laser (Distributed Feedback) als Kernlichtquelle. DFB-Laser zeichnen sich durch schmale Linienbreiten, Single-Longitudinal-Mode-Ausgang, hohe Wellenlängenstabilität und präzise Abstimmbarkeit aus. Ihre Emissionswellenlänge kann genau an die Absorptionslinie des Zielgases angepasst und über Temperatur oder Antriebsstrom fein abgestimmt werden, um das Scannen und Detektieren über den gesamten Absorptionspeak hinweg zu ermöglichen, was sie zu einer idealen Wahl für die industrielle Gasüberwachung, Umweltanalyse und wissenschaftliche Forschung macht.
(1) Der DFB-Laser sendet einen kohärenten Single-Mode-Laserstrahl mit einer Wellenlänge aus, die auf die Absorptionslinie des Zielgases abgestimmt ist.
(2) Der Laserstrahl durchläuft eine Gaszelle, die die zu messende Probe enthält.
(3) Das Gas absorbiert einen Teil des Laserlichts bei seiner charakteristischen Wellenlänge, während das restliche Licht durchgelassen wird.
(4) Ein Fotodetektor erfasst das durchgelassene oder reflektierte Licht und wandelt es in ein elektrisches Signal um.
(5) Das System analysiert das Signal mithilfe von Lock-in-Erkennungs-, Demodulations- oder Fourier-Transformations-Algorithmen, um die Gaskonzentration gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz zu berechnen.
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Komponente |
Funktionsbeschreibung |
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DFB-Laser |
Liefert eine Singlemode-Laserquelle mit schmaler Linienbreite. Seine Emissionswellenlänge wird über eine Temperaturregelung so eingestellt, dass sie über die charakteristische Absorptionslinie des Zielgases scannt, während der Injektionsstrom für Messungen mit Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) mit hoher Frequenz moduliert wird. |
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Gaszelle |
Eine versiegelte Kammer, die das Zielgas enthält und eine definierte optische Weglänge für die Absorptionsmessung bietet. Optionale Temperatur- und Druckkontrollmodule verbessern die Messstabilität und reduzieren Fehler, die durch Umgebungsschwankungen verursacht werden. |
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Fotodetektor (PD) |
Wandelt das optische Signal nach der Wechselwirkung mit dem Gas in ein elektrisches Signal zur anschließenden Verstärkung, Demodulation und Konzentrationsanalyse um. |
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Strahlteiler/optischer Faserkoppler |
Der Strahlteiler passt zu einem optischen Freiraumsystem, während der Faserkoppler zu einem reinen Faseraufbau passt. Es teilt den Laser in Referenz- und Messpfad auf. Das Referenzsignal dient zur Kompensation von Laserleistungsschwankungen und zur Verbesserung der Messgenauigkeit (optional). |
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Signalverarbeitungssystem |
Verstärkt schwache Fotodetektorsignale und führt eine Demodulation durch Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) einschließlich 1f/2f-Oberwellenextraktion durch, um Informationen zur Gasabsorption zu erhalten und die Gaskonzentration zu bestimmen. |
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Computer/Steuerungssystem |
Bietet Systemsteuerung, Parameterkonfiguration, Datenerfassung, Signalverarbeitung, Konzentrationsberechnung, Datenspeicherung und Echtzeitvisualisierung von Messergebnissen. |
760 nm 10 mW DFB Butterfly-Laserdiode
1392 nm 10 mW DFB Butterfly-Laserdiode
1683 nm 10 mW fasergekoppelter Laser
Leistungsstarker DFB-Schmetterlingslaser mit 1653,7 nm und 40 mW
1651 nm DFB fasergekoppelte Laserdiode
1625 nm DFB BTF-Laserdiode
1567 nm DFB-Schmetterlingslaserdiode
1580 nm DFB SM PM-Laserdiode
F1: Welche Wellenlänge des DFB-Lasers wird typischerweise in TDLAS verwendet?
A1:
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Gas |
Wellenlänge (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 |
NEIN |
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 |
F2: Benötigt der DFB-Laser einen Isolator?
A2: Optische Isolatoren werden in faserbasierten TDLAS-Systemen oder in Konfigurationen mit erheblicher optischer Rückreflexion empfohlen. Sie können auch in Freiraumkonfigurationen von Vorteil sein, in denen Restreflexionen vorhanden sind. Der Isolator unterdrückt optische Rückkopplungen, verhindert Modensprünge, Frequenzinstabilität und Ausgangsleistungsschwankungen und sorgt so für einen stabilen Single-Mode-Laserbetrieb und eine verbesserte Stabilität der Messbasislinie.
F3: Warum ist der DFB-Laser die bevorzugte Lichtquelle für TDLAS gegenüber dem FP- oder VCSEL-Laser?
A3: DFB-Laser mit integrierten Bragg-Gittern sorgen für eine stabile Einzelfrequenzemission mit schmaler Linienbreite, hohem SMSR (>35 dB) und modensprungfreier Abstimmung. Im Vergleich dazu weisen FP-Laser eine Multi-Longitudinalmode-Emission und eine begrenzte Wellenlängenstabilität auf, während VCSELs typischerweise einen eingeschränkten Abstimmbereich bieten, der die erforderlichen Absorptionsmerkmale möglicherweise nicht vollständig abdeckt. Die überlegene spektrale Reinheit und Abstimmstabilität von DFB-Lasern verbessern das SNR bei der Erkennung harmonischer Oberwellen erheblich und machen sie zur bevorzugten Lichtquelle für die hochpräzise WMS-TDLAS-Gasmessung (1f/2f).
F4: Welche Paketoptionen sind für TDLAS DFB-Laser verfügbar?
A4: Zwei Mainstream-Pakete:
①14-poliges Butterfly-Gehäuse: Integriert einen TEC, einen NTC-Thermistor und eine Monitor-Fotodiode mit einem optionalen optischen Isolator. Es wird häufig in hochpräzisen fasergekoppelten TDLAS-Systemen eingesetzt, die eine präzise Temperatur- und Leistungsstabilisierung erfordern.
②TO-can (TO5/TO46): Eine kompakte Lösung für Freiraum- oder kollimierte Ausgangskonfigurationen. Typischerweise fehlt ihm die integrierte TEC-Steuerung und es ist möglicherweise eine externe Temperaturstabilisierung erforderlich. Es eignet sich für kostenempfindliche und miniaturisierte Open-Path-Gassensoranwendungen.
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