使用量子级联激光光谱仪测量近6.2微米处NO2 的谱线强度真相还有哪些？

近日，来自安徽大学光电信息获取与处理教育部重点实验室、安徽大学激光光谱与传感实验室、宁波海尔欣光电科技有限公司的联合研究团队发表了一篇题为Measurements of line strengths for NO2 near 6.2 μm using a quantum cascade laser spectrometer的研究论文。

Research Background研究背景

二氧化氮是一种常见的污染物，主要来自化石燃料燃烧排放、自然雷电以及土壤中的微生物过程。大气中的NO2有助于地面臭氧的形成，可能导致光化学烟雾，并导致雨水酸度增加。持续暴露于高浓度的NO2可能对人类和动物的呼吸系统产生各种短期和长期的不良健康影响。因此，开发一种成本效益高、稳健的NO2监测传感器系统至关重要。

已经开发了许多技术解决方案用于NO2检测。化学发光和湿化学分析通常用于NO2检测。然而，这些方法响应时间较慢，且在区分NO和NO2时选择性较低，限制了它们的应用。基于吸收光谱学的光学方法具有高度的灵敏度、选择性和快速响应，为痕量气体分析提供了强大的手段。基于中红外分子指纹区的激光吸收光谱技术对于痕量气体分析非常理想，因为大多数大气成分在该光谱区域具有强烈的基本振动跃迁，从而实现对痕量气体的高灵敏度和选择性检测。商业上可用的中红外光谱区的连续波(CW)量子级联激光器(QCLs)已广泛用于发展NO2 的定量分析的光谱技术。

Experimental setup实验设置

在这项工作中，我们在实验室中构建了一台基于中红外CW-QCL的激光吸收光谱仪，以修订波数从1629 cm−1 到 1632 cm−1的光谱区域。图显示了用于研究NO2 吸收光谱线参数的基于中红外CW-QCL的光谱设置的示意图。

宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供了激光发射器(QC-qubeTM)与驱动器(QC750-TouchTM)。一个CW室温QCL芯片被封装在一个热电(TE)制冷的光束整形包装中，由一个集成的温度和低噪声电流控制器驱动。

激光源在1629 cm−1到1632 cm−1的波长范围内工作，没有模式跳变，并且平均输出功率为30 mW。激光频率通过三角波在典型频率100 Hz下进行扫描。激光的线宽约为<10 MHz，因此可以忽略激光线型引起的展宽。激光束最初被准直，并通过一个光程为29.6 cm的样品池。在Brewster角度放置的楔形CaF2窗口用于避免残留的Etalon条纹。QCL输出光束与可见红光(632.8 nm)通过ZnSe分束镜相结合，以便于对准QCL输出光束的光学调整。透过样品池的主光束通过凸透镜聚焦到一个TE制冷的高速红外光伏探测器，该探测器可以在室温下操作。因此，探测器不需要液氮制冷，简化了系统的常规使用，并允许长期自动化操作。数据随后使用数据采集板卡进行获取。光束的另一部分被耦合到一个Etalon中，该Etalon由两个ZnSe镜构成，自由光谱范围为0.0163 cm−1。

Conclusion结论

本研究中，我们开发了一款基于热电制冷的室温连续波量子级联激光器(RT CW-QCL)的紧凑型光谱传感器，用于痕量NO2的检测。在室温(~296 K)和0-90毫巴的压力范围内，详细研究了NO2和N2混合物的高分辨率光谱。吸收光谱采用标准Voigt轮廓进行拟合。对于约6.2微米附近的43条NO2谱线，进行了线强度和N2压力诱导展宽系数的准确测量。这个光谱区域非常适合于对NO2浓度进行高灵敏度检测。我们的结果在谱线强度方面与最新的HITRAN16数据库相当一致。实验性的光谱参数将有助于升级我们新开发的用于大气痕量气体监测和工业过程控制的NO2气体传感器系统。此外，我们希望这些结果对于NO2分子的光谱数据库具有重要价值。