Espectroscopia de absorción de láser de diodo sintonizable
La espectroscopia de absorción de láser de diodo sintonizable ( TDLAS , a veces denominada TDLS, TLS o TLAS [1] ) es una técnica para medir la concentración de ciertas especies como metano , vapor de agua y muchas más, en una mezcla gaseosa utilizando láseres de diodo sintonizable y espectrometría de absorción láser . [ cita requerida ] La ventaja de TDLAS sobre otras técnicas para la medición de la concentración es su capacidad para lograr límites de detección muy bajos (del orden de ppb ). Además de la concentración, también es posible determinar la temperatura, la presión, la velocidad y el flujo másico del gas en observación.[2] [3] TDLAS es, con mucho, la técnica de absorción basada en láser más comúnpara evaluaciones cuantitativas de especies en fase gaseosa.
Una configuración básica de TDLAS consiste en una fuente de luz láser de diodo sintonizable, óptica de transmisión (es decir, modelado de haz), medio absorbente ópticamente accesible, óptica receptora y detector (es). La longitud de onda de emisión del láser de diodo sintonizable, a saber. VCSEL , DFB , etc., se sintoniza sobre las líneas de absorción características de una especie en el gas en la trayectoria del rayo láser. Esto provoca una reducción de la intensidad de la señal medida debido a la absorción, que puede ser detectada por un fotodiodo y luego utilizada para determinar la concentración de gas y otras propiedades como se describe más adelante. [4]
Se utilizan diferentes láseres de diodo según la aplicación y el rango en el que se va a realizar la sintonización. Ejemplos típicos son InGaAsP / InP (sintonizable en 900 nm a 1,6 μm), InGaAsP / InAsP (sintonizable en 1,6 μm a 2,2 μm), etc. Estos láseres se pueden sintonizar ajustando su temperatura o cambiando la densidad de la corriente de inyección en la ganancia. medio. Si bien los cambios de temperatura permiten una sintonización superior a 100 cm −1 , está limitada por velocidades de sintonización lentas (unos pocos hercios), debido a la inercia térmica del sistema. Por otro lado, el ajuste de la corriente de inyección puede proporcionar una sintonización a velocidades tan altas como ~ 10 GHz, pero está restringido a un rango más pequeño (alrededor de 1 a 2 cm -1 ) sobre el cual se puede realizar la sintonización. El ancho de línea típico del láser es del orden de 10 −3 cm −1o menor. Los métodos adicionales de sintonización y estrechamiento del ancho de línea incluyen el uso de ópticas dispersivas extracavitarias. [5]
El principio básico detrás de la técnica TDLAS es simple. El enfoque aquí está en una sola línea de absorción en el espectro de absorción de una especie de interés particular. Para empezar, la longitud de onda de un láser de diodo se sintoniza sobre una línea de absorción particular de interés y se mide la intensidad de la radiación transmitida. La intensidad transmitida puede relacionarse con la concentración de las especies presentes por la ley de Beer-Lambert , que establece que cuando una radiación de número de onda pasa a través de un medio absorbente, la variación de intensidad a lo largo de la trayectoria del haz viene dada por, [6]
La relación anterior requiere que se conozca la temperatura de las especies absorbentes. Sin embargo, es posible superar esta dificultad y medir la temperatura simultáneamente. Hay varias formas de medir la temperatura. Un método ampliamente aplicado, que puede medir la temperatura simultáneamente, utiliza el hecho de que la fuerza de la línea es una función únicamente de la temperatura. Aquí se sondean dos líneas de absorción diferentes para la misma especie mientras se desplaza el láser a través del espectro de absorción, la relación de la absorbancia integrada es entonces una función únicamente de la temperatura.
Otra forma de medir la temperatura es relacionando el FWHM de la línea de absorción sondada con el ancho de la línea Doppler de la especie a esa temperatura. Esto viene dado por,