Empfindlicher extraktiver Gasnachweis mit Nahinfrarot-Diodenlasern am Beispiel von O₂ und CH₄ (Sensitive Extractive Detection of Oxygen and Methane with Near Infrared Diode Lasers)

Abstract

In vielen industriellen Anwendungen besteht ein großer Bedarf an einem rein optischen und damit korrosionsfesten Nachweis von Sauerstoff. Für diesen Zweck wurde ein hochempfindliches, extraktives, lasergestütztes Zweistrahl-Absorptionsspektrometer mit nur 200 mm Absorptionslänge zum O 2 -Nachweis im Bereich des A-Bandes bei 760 nm entwickelt und mit verschiedenen Lasertypen getestet. Mit einem Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser mit 670 µW optischer Leistung wurde auf der R11 R11-Linie bei STP eine exzellente Linearität (R = 0,9999) und eine Nachweisgrenze von 35 ppmV O 2 erreicht. Das entspricht einer optischen Dichte von 7 · 10 −7 und ist nur noch einen Faktor 3 von der Schrotrauschgrenze entfernt. Die normierte Spektrometerempfindlichkeit beträgt damit 7,6 ppmV · m · mW 1/2 · s 1/2 . Über Zeiträume von bis zu 10 Stunden betrug die Stabilität 65 ppmV. Das gleiche System wurde mit einem neuartigen Distributed-Feedback-Laser im externen Planresonator gekoppelt, um bei λ = 1,65 µm CH 4 mit einer Empfindlichkeit von 600 ppb · m nachzuweisen.A highly linear (R = 0.9999) dual beam laser absorption spectrometer is described with balanced detection and 200 mm absorption path for sensitive detection of O 2 via R11 R11-line in the A-band at 760 nm and CH 4 via the R3-transition of 2ν 3 -band. Various laser types are compared with regard to their performance. A record sensitivity for Vertical-Cavity-Laser based spectrometers of 35 ppmV O 2 over a 5 min interval, corresponding to an OD of 7 × 10 −7 is reported, which is only a factor of 3 above the shot noise limit. The normalized detection limit is 7.6 ppmV · m · mW 1/2 · s 1/2 . Using a Distributed-Feedback-Diode-Laser in a new external cavity setup at 1.65 µm a detectivity of 600 ppb · m CH 4 is achieved.