利用中红外可调谐激光器，实现光腔衰荡光谱检测痕量制冷剂

麦姆斯咨询殷飞 红外芯闻 2022-05-23 12:00 Posted on 江苏

如今，空调系统大范围普及，制冷剂是其中必不可少的部分。但制冷剂泄露会对环境造成恶劣的影响，因此需要开发痕量制冷剂的检测技术。

虽然，目前光腔衰荡光谱（CRDS）、光声光谱、多通道气室可调谐二极管激光吸收光谱等技术已被用于各种痕量挥发性有机化合物（VOC）的高灵敏度检测，但这些技术在痕量氢氟烃（HFC）检测应用中尚未得到证实。在这些技术中，CRDS是一种广泛用于超高灵敏度测量的光学传感技术，它利用高反射腔显著增加了有效光程长度。同时，为了实现利用CRDS检测痕量HFC，需要一种可以将光波波长调谐到可以探测HFC的中红外（IR）吸收峰的激光器。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本理化学研究所（RIKEN）先进光子学研究中心的光电控制技术团队在Nature旗下子刊Scientific Reports上发表了以“Mid-infrared-scanning cavity ring-down CH₂F₂ detection using electronically tuned Cr:ZnSe laser”为主题的研究，报道了通过可调谐激光器实现CRDS检测痕量制冷剂CH₂F₂的研究成果。通讯作者为日本理化学研究所Masaki Yumoto。

正是中红外可调谐激光器的不断发展，推动了各类激光光谱技术的进步。这项研究采用了电子调谐Cr:ZnSe（ET-Cr:ZnSe）激光器，在中红外区域实现波长扫描腔衰荡光谱（WS-CRDS），该激光器可达到纳秒级脉冲、2-3μm的宽波长调谐。由于ET-Cr:ZnSe激光器加入，使得WS-CRDS技术对制冷剂CH₂F₂的痕量检测成为可能。该研究利用了激光器宽波长调谐范围的特性实现了对CH₂F₂中痕量H₂O的检测，从而证明了ET-Cr:ZnSe激光器在WS-CRDS技术中的有效性。研究人员相信，该方法将加快各类痕量气体检测技术的发展。

利用ET-Cr:ZnSe激光器实现CRDS检测痕量制冷剂CH₂F₂的实验装置示意图

日本这项研究展示了在宽中红外区域使用WS-CRDS检测痕量CH₂F₂。研究利用自研的ET-Cr:ZnSe激光器完成了WS-CRDS检测，该激光器具有高的波长可调谐性，以及单峰纳秒级脉冲的特性。最终实现CH₂F₂的检测限达到0.66 ppm，同时实时监测CH₂F₂的浓度变化，从而验证了WS-CRDS检测技术对CH₂F₂泄漏监测的适用性。此外，ET-Cr:ZnSe激光器的宽波长可调谐范围，使其能够检测出在宽中红外吸收光谱的多种高分子量（high-molecular-weight）组分。而在分析人类呼吸和植物释放的气体等应用中，经常需要测量高分子量的VOC（ppb数量级）。因此，通过提高检测灵敏度，WE-CRDS检测技术也有望应用于此类分析。

这项研究工作获得了日本官民研究开发投资扩大计划（PRISM）的资金支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-12019-5。