2021-04-08

Inuti gasanalysatorn - den avstämbara diodlasern

OPSIS baserade ursprungligen alla sina gasanalysatorer på DOAS-tekniken (differentiell optisk absorptionsspektroskopi). Den använder en bredbandig (vit) ljuskälla och den spektrala analysen görs över ett ganska brett våglängdsfönster, typiskt några tiondels nanometer. Ljuskällorna är ganska enkla båglampor medan den komplexa tekniken finns i spektrometrarna eller interferometrarna som separerar det delvis absorberade ljuset i sina våglängdskomponenter och möjliggör detektering av spektrumen.

Det finns dock ett annat sätt att göra spektroskopi. I stället för att skicka ut vitt ljus och göra våglängdsseparationen nära detektorn går det också att skicka ut monokromatiskt (enfärgat, smalbandigt) ljus och rikta det rakt mot en detektor utan någon våglängdsseparerande anordning emellan. För att detektera ett absorptionsspektrum är det i stället ljuskällans våglängd som varieras.

Så var hittar vi en monokromatisk ljuskälla där våglängden kan varieras? Svaret finns i halvledarindustrin, och specifikt i en komponent som kallas en avstämbar diodlaser, (tunable diode laser, TDL).

Lysdioder och diodlasrar

Vi är alla bekanta med lysdioder, LED. Det är ljuskällorna i elektroniska prylar som ofta lyser i rött, grönt, blått eller till och med vitt, det senare särskilt i dagens lågenergilampor. LED-lampor är i princip enfärgade, även om de spektra som avges fortfarande är ganska breda. Det röda ljuset från en röd LED är i själva verket en blandning av olika röda färger, vanligtvis med en spektral bandbredd på cirka 10 nm. Sådana lysdioder fungerar inte för spektroskopi där vi behöver en våglängdsprecision på en bråkdel av en nanometer. De vita lysdioderna är faktiskt inte vita till sin grundkaraktär. Antingen är de en kombination av röda, blå och gröna lysdioder som ser vita ut för det mänskliga ögat, eller så har de en speciell fosforbeläggning som lyser vitt när en underliggande lysdiod (ofta blå) lyser på beläggningen.

Lyckligtvis har LED-lampan ett syskon som kallas diodlaser. Det är i princip en LED men med en speciell design där ljusgenereringen sker i en liten hålighet som tillverkas med mycket hög precision och orsakar lasring av ljuset, dvs förstärkning av en specifik våglängd. Resultatet blir i praktiken en monokromatisk ljusstråle som skickas ut, ofta i det infraröda området. Diodlasrar används idag främst i telekommunikationssammanhang där optiska fibrer används. En viss typ av laserdiod sänder bara ut en enda specifik färg på ljuset (även om den kan justeras något, se nedan), så om vi vill ha en helt annan färg på ljuset måste vi hitta en annan laserdiod.

En laserdiod i sitt hölje.

Hittills har vi det monokromatiska ljuset från laserdioden, men hur kan vi styra våglängden? Det visar sig att våglängden på det utsända ljuset beror på temperaturen i laserdiodens substrat. Om vi vill ha en bestämd våglängd måste vi därför stabilisera temperaturen runt laserdioden. I ett andra steg varierar man temperaturen omkring eller strömmen genom laserdioden cykliskt med hög precision i ett sågtandsmönster vilket gör att det emitterade ljuset skannas över ett visst våglängdsfönster. Vi har skapat en avstämbar diodlaser, en TDL.

Detektering av molekyler med en TDL

Bredden på det våglängdsfönster inom vilket det utsända ljuset skannas är ganska liten, kanske bara några nanometer, men det är mer än tillräckligt om vi bara placerar fönstret över en karakteristisk absorptionslinje hos den molekyl som vi vill detektera. Det ljus som sänds ut vid varje givet tillfälle är monokromatiskt, men genom att skanna våglängden fram och tillbaka inom våglängdsfönstret varierar vi också ljuset över absorptionslinjen för den eftersökta molekylen.

Nästa steg är att synkronisera detektorn med TDL:s våglängdsscanning och samla in och ackumulera tusentals spektrala mätningar när ljusvåglängden varieras fram och tillbaka. Resultatet är ett smalbandigt (några nm) spektrum runt molekylens absorptionslinje. Detta spektrum jämförs med ett referensspektrum som motsvarar en känd koncentration, och den aktuella koncentrationen av molekylen kan beräknas.

Det finns två utmaningar med att använda TDL. För det första måste TDL:ens temperatur styras med mycket stor precision, ner till en bråkdel av en grad, annars vet vi inte vilken våglängd TDL:n faktiskt avger. Det är därför viktigt att TDL:n placeras i en noggrant temperaturkontrollerad miljö och att det instrument som innehåller TDL:n inte utsätts för snabba temperaturförändringar i omgivningen. I annat fall kommer temperaturkontrollslingan inte att tillåta våglängdsskanningarna med tillräcklig precision.

För det andra kan olika typer av molekyler som vi vill mäta koncentrationen av ha användbara absorptionslinjer vid mycket olika våglängder. TDL:erna är dock speciellt tillverkade för att avge ljus precis runt våglängden för en specifik molekylär absorptionslinje. Den begränsade bredden på våglängdsfönstret för skanningarna begränsar antalet typer av molekyler som kan detekteras. Med en fönsterbredd på bara några nanometer kan vi i de flesta fall bara detektera absorption av en eller två typer av gaser med hjälp av en enda TDL. Vi behöver därför ofta en TDL (i praktiken en komplett "lasermodul" med temperaturreglering, kanske med inbyggd självkalibrering av våglängden etc.) för varje typ av gas som vi vill mäta koncentrationen av.

I några få fall, t.ex. CO och CO₂, kan det finnas två olika typer av molekyler med lämpliga absorptionslinjer tillräckligt nära varandra för att täckas av en enda TDL:s våglängdsfönster. Vattenånga (H₂O) är ofta också möjlig att detektera oavsett vilken annan gas vi detekterar. Det beror på att H₂O har många absorptionslinjer i ett mycket brett spektralområde, varav några kan hamna inom våglängdsfönstret för en annan molekyl. H₂O är därför ett slags "spektral förorening" som kan orsaka störningar i andra molekylers absorptionslinjer. Detta är dock hanterbart med lämpligt val av våglängdsfönster och noggrann analys av de enskilda absorptionslinjerna i det detekterade spektrumet.

OPSIS LD500

OPSIS TDL-erbjudande består av en gasanalysator av modell LD500. Den kan utrustas med en till fyra lasermoduler som var och en möjliggör övervakning av koncentrationer av en eller två typer av gaser. Laserljuset leds via en optisk fiber till en sändare. Från sändaren färdas ljuset i en stråle genom den övervakade gasvolymen. Ljuset fångas upp av en detektor som sitter i en mottagarenhet i änden av laserstrålen. Detta minimerar förlusten av laserljus jämfört med att skicka det återstående laserljuset tillbaka till instrumentet. För maximal flexibilitet och minimal signalförvrängning digitaliseras dock detektorsignalen och skickas tillbaka till LD500 via en annan optisk fiber, den här gången en standardfiber för telekommunikation.

En OPSIS LD500 konfigurerad för att mäta gaskoncentrationer i två kanaler i en industriell miljö.

Att välja rätt gasanalysator

OPSIS TDL-baserade gasanalysatorer fungerar på ett helt annat sätt jämfört med analysatorer av typen UV-DOAS eller FTIR-DOAS. Vilken modell bör väljas? Om du bara behöver mäta koncentrationen av en eller två typer av gaser är det i allmänhet mest kostnadseffektivt att använda en TDL-analysator. Vid mätning av flera gaser är det mest kostnadseffektivt att använda en UV-DOAS- eller IR-DOAS-analysator, eller en kombination av dessa. Det finns dock även andra aspekter som spelar in. Vissa typer av gaser kan bara detekteras med en av analysatortyperna och kraven på mätprestanda kan gynna en analysatortyp framför en annan. Det är mycket att tänka på men tveka inte att kontakta OPSIS som kommer att vägleda dig till den bästa övervakningslösningen i ditt specifika fall.