Un método para detectar gases utilizando un espectrómetro de diodo láser semiconductor,

comprendiendo el método: la introducción de un gas de muestra (13) en una célula óptica no resonante (17) con elementos reflectantes; aplicando un impulso eléctrico de función escalonada al diodo láser semiconductor (20) para conseguir que el láser (20) produzca una onda chirp (de frecuencia modulada pulsada) continua para inyectarla en la célula óptica (17); inyectando la onda chirp utilizando la variación de onda proporcionada por la onda chirp como un escáner de longitud de ondas, y detectando la luz emitida desde la célula, caracterizado porque el método también envuelve la utilización de una velocidad de onda chirp para que exista un tiempo de retardo entre los puntos de los elementos reflectantes en los que la onda chirp inyectada se refleja lo suficiente como para evitar que se produzca una interferencia de luz en la célula óptica (17) .

CONFIGURACIÓN DE UN ESPECTRÓMETRO DIODO LÁSER SEMICONDUCTOR Y MÉTODO

La presente invención hace referencia a una configuración de espectrómetro de diodo láser semiconductor y en particular un espectrómetro de diodo láser infrarrojo semiconductor con una absorción con resolución temporal, en el que la calibración de escala del número de onda se basa en un tiempo para mapear el número de onda/cm

1. [0002] Los espectrómetros de absorción infrarroja se utilizan para detectar y medir gases. Los diodo láseres infrarrojos semiconductores se utilizan en gran parte para proporcionar la luz que debe absorberse por la medición de especies, ya que estos láseres son relativamente pequeños, espectralmente bien definidos, brillantes y sintonizables. Existen otras ventajas de estos láseres sobre otros láseres, algunas de las cuales se pueden observar en monografías espectroscópicas. [0003] En localizaciones remotas y entornos hostiles, uno de los métodos más efectivos y precisos de detectar trazas de gas utiliza espectrómetros basados en diodo láser semiconductor. Pese a que la detección de gas comenzó hace décadas, en muchos entornos todavía es difícil monitorizar de manera remota los componentes de trazas de gas. Muchos de los instrumentos anteriores tienen respuestas lentas, son frecuentemente grandes, poco fiables, caros, y requieren un mantenimiento constante. [0004] Con tal de recuperar información con la tecnología conocida, la detección de gases de manera remota normalmente se da en la región de infrarrojo cercano y medio del espectro electromagnético, donde se encuentran las huellas químicas de la mayoría de los compuestos químicos. Con la expresión infrarrojo cercano y medio, nos referimos a la radiación con una longitud de onda en el intervalo de 1µm a 14µm. Esta región espectral contiene ventanas de alta transmisión llamadas "ventanas atmosféricas", que deben su transparencia a la baja densidad de las líneas de fuerte absorción de CO2 y H2O. Estas ventanas atmosféricas son de gran interés para la

espectroscopia ya que las líneas de absorción de trazas de moléculas de fuerte absorción tienen una intensidad similar o mayor a la de las líneas débiles de CO2 y

H2O.

Los diodo láseres de infrarrojo cercano producen luz en el intervalo de longitud de onda de los sobretonos de vibración de aproximadamente 1µm a 3, 0µm. Debido a que los coeficientes de absorción de los sobretonos de vibración son mucho menores a aquellos de las bandas fundamentales, la sensibilidad de los espectrómetros que utilizan dichos láseres se mantiene limitada. Por lo tanto, la sensibilidad de dicho aparato de detección de gas raramente consigue llegar al intervalo de subparte por mil millones (sub-ppb) . [0006] Los diodo láseres de infrarrojo medio producen luz en el intervalo de longitud de onda de las bandas de rotación-vibración fundamentales, aproximadamente de 3µm a 14µm. Estos láseres no han sido tan desarrollados de manera tecnológica como aquellos en la región del infrarrojo cercano, y por lo tanto tienen una baja potencia de salida de modo único. Los sistemas de detección de gas basados en diodos de infrarrojo medio son capaces de alcanzar una sensibilidad sub-ppb. El desarrollo de dichas fuentes de luz ha sido, por lo tanto, dedicado por completo a aplicaciones espectroscópicas. Se asocian diversas desventajas a los diodo láseres de infrarrojo medio convencionales, principalmente a los láseres de sal de plomo, como la baja potencia de salida, y su necesidad de ser criogénicamente refrigerados en sistemas operativos grandes y caros para mantener esta temperatura. [0007] Recientemente, la temperatura ambiente y la alta potencia de salida se han alcanzado en el infrarrojo medio utilizando láseres de cascada cuántica (QC) . A diferencia de los láseres anteriores, los láseres QC son láseres semiconductores unipolares que pueden diseñarse a cualquier longitud de onda deseada en el infrarrojo medio. El reemplazo de los láseres de sal de plomo por lo láseres QC proporciona el potencial para mejorar tanto la sensibilidad de detección como la resolución espectral de los espectrómetros de absorción de infrarrojo medio. [0008] El láser QC basado en espectrómetros desarrollado hasta ahora utiliza dos enfoques. El primero utiliza un láser QC de onda continua (CW) actuando como reemplazo "de paso" de un láser de sal de plomo. El segundo enfoque consiste en utilizar un láser QC pulsado de modo que imite el uso de un láser de funcionamiento continuo. En algunos experimentos conducidos por Webster et al (Applied Optics LP 40, 321 (2001) ) , el primer enfoque se utilizó con uno de los diodo láseres de sal de plomo en un espectrómetro ALIAS II reemplazado por un láser QC. Las mediciones de las pruebas elaboradas utilizando una plataforma de aeronave ER2 mostraron que el láser QC podría reemplazar con éxito un láser de sal de plomo y resultó menos afectado por la inestabilidad de la temperatura. Sin embargo, el láser necesitó ser activado a 77K para su funcionamiento CW. El segundo método fue descrito originalmente por Whittaker et al (Optics Letters 23, 219 (1998) ) . En este método un impulso de corriente muy corto se aplica al láser QC funcionando a una temperatura cercana a la temperatura ambiente para proporcionar un impulso de longitud de onda reducida. En este modo de funcionamiento la resolución espectral se limita por la longitud de la onda de frecuencia aumentada chirp. Por lo tanto, en este tipo de espectrómetro la longitud de la onda de frecuencia aumentada chirp se considera perjudicial para el funcionamiento del sistema. [0009] La onda de frecuencia creciente chirp ("ancho de línea de emisión efectiva") se induce mediante la duración temporal de la corriente/voltaje del impulso de activación. La expresión "línea de emisión efectiva" se refiere al ancho espectral observable/medible (FWHM) de la emisión de un diodo láser semiconductor inducido mediante el impulso de corriente/voltaje aplicado a sus contactos eléctricos. Por ejemplo, si la duración del impulso aplicado al láser QC fuera del orden de 10 ns, el

ancho de línea de la emisión efectivo sería del orden de 700 MHz (0.024 cm-1) en el dominio espectral (Optics Letters 23, 219 (1998) ) . [0010] Con tal de escanear muestras utilizando un espectrómetro de láser QC pulsado, el ancho de línea de emisión efectivo se sintoniza a través de una región espectral utilizando una rampa de corriente lenta DC superpuesta sobre el tren de impulsos. Esto significa que la sintonización espectral resultante es una función cuadrática de la rampa de corriente DC inyectada al láser [Optics Letter 23, 219 (1998) ; Applied Optics 39 6866 (2000) ; Applied Optics 41, 573 (2002) ]. Un problema de este enfoque es que, sin embargo, se necesita un paso adicional en la fase de procesamiento de datos para corregir el efecto cuadrático. En algunos casos, para mejorar la relación señal-ruido (Optics Letters 23, 219 (1998) ) se añade una pequeña señal de modulación de corriente AC a la rampa DC con tal de utilizar una detección de fase sensible de la señal óptica detectada. Pese a que añadir esta modulación puede aumentar la sensibilidad, también hace que requiera el uso de una demodulación en el sistema de detección, con lo que renderizar el sistema se vuelve más complicado. Otro problema es que el uso de una modulación reduce inherentemente la frecuencia de escaneo, ya que las señales detectadas de alta velocidad son demoduladas a señales de audio de baja frecuencia. Por lo tanto, las configuraciones de la técnica precedente de este tipo permiten frecuencias de escaneo sólo del orden de decenas de Hercios. Un sistema propuesto por Beyer et al (Third International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy July 8-12 2001, Zermatt Switzerland) utiliza la variación de longitud de onda de la longitud intrínseca de onda chirp (de frecuencia modulada pulsada) . Sin embargo, la configuración propuesta es de uso limitado para la impresión química. [0011] Tanto el láser de función CW (primer método= descrito por Webster et al (Applied Optics LP 40, 321 (2001) ) como el de impulso corto (segundo método) , descrito originalmente por Whittaker et al (Optics Letters 23, 219 (1998) ) para un gas con un pequeño coeficiente de absorción, la manera más simple de conseguir un cambio observable en la señal transmitida es utilizar una amplia longitud de muestra. Esto se puede conseguir mediante el uso de células resonantes o no resonantes. Las combinaciones de células resonantes son complejas y requieren técnicas sofisticadas para minimizar los efectos de las señales reflejadas desde el espejo de entrada hasta la célula interrumpiendo el funcionamiento... [Seguir leyendo]

1. Un método para detectar gases utilizando un espectrómetro de diodo láser

semiconductor, comprendiendo el método: la introducción de un gas de muestra (13) en una célula óptica no resonante

(17) con elementos reflectantes; aplicando un impulso eléctrico de función escalonada al diodo láser semiconductor (20) para conseguir que el láser (20) produzca una onda chirp (de frecuencia modulada pulsada) continua para inyectarla en la célula óptica (17) ; inyectando la onda chirp utilizando la variación de onda proporcionada por la onda chirp como un escáner de longitud de ondas, y detectando la luz emitida desde la célula, caracterizado porque el método también envuelve la utilización de una velocidad de onda chirp para que exista un tiempo de retardo entre los puntos de los elementos reflectantes en los que la onda chirp inyectada se refleja lo suficiente como para evitar que se produzca una interferencia de luz en la célula óptica (17) .

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la duración del impulso aplicado al diodo láser semiconductor (20) es igual a o menor que un microsegundo.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la duración del impulso es menor a la duración necesaria para que la energía óptica producida sea cero después de que el impulso de activación se aplique.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo también la variación de la velocidad de cambio de longitud de onda por unidad de tiempo.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que variar la velocidad de cambio de onda por unidad de tiempo implica variar la amplitud del impulso de corriente/voltaje de activación.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores comprendiendo el ajuste de longitud del escáner de longitud de onda.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 en el que ajustar el escáner de longitud de onda incluye variar la duración del impulso de corriente/voltaje de activación.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores comprendiendo una variación de la temperatura del diodo láser semiconductor

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el diodo láser semiconductor (20) produce una radiación con longitudes de ondas en el intervalo de 1µm a 14, 0µm.

10. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el láser semiconductor (20) es un láser de cascada cuántica (20) .

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la célula (17) es una célula Herriott.

12. Un método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad de radiación absorbida se determina utilizando una medición de amplitud de la radiación transmitida a través del gas de muestra (13) y una medición de amplitud de un impulso de referencia.

13. Un espectrómetro de diodo láser semiconductor, preferiblemente un espectrómetro de láser de cascada cuántica, para medir la absorción de radiación mediante un gas de muestra (13) , el espectrómetro comprendiendo un diodo láser semiconductor (20) ; una célula óptica no resonante (17) para contener un gas de muestra (13) con elementos reflectantes a cada extremo de la misma, un generador de impulsos eléctricos (19) configurado para aplicar un impulso eléctrico de función escalonada al láser (20) para provocar que el láser (20) introduzca una onda chirp continua a la célula de muestra (17) y un detector (23) para detectar la luz de salida de la célula (17) y configurada para usar la variación de la longitud de onda de la longitud de la onda chirp como un escáner de longitud de onda, en el que la velocidad chirp utilizada es tal que existe un tiempo de retardo entre los puntos de los elementos reflectantes en los que la onda chirp inyectada se refleja lo suficiente como para evitar la interferencia de luz que se produce en la célula óptica (17) .

14. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la duración del impulso eléctrico es igual o menor a 1 microsegundo.

15. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que se proporcionan los medios para variar la tasa de cambio de la longitud de onda por unidad de tiempo de la onda chirp.

16. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 15, en el que los medios para variar la tasa de cambio de la onda se utilizan para variar la amplitud del impulso de corriente/voltaje de activación.

17. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 16, en el que los medios se proporcionan para ajustar la longitud del escáner de longitud de onda.

18. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 17, en el que los medios para ajustar el escáner de onda se utilizan para variar la duración del impulso eléctrico.

19. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 18, en el que los medios se proporcionan para variar un punto de inicio de longitud de onda del escáner de longitud de onda.

20. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 19, en el que los medios para variar un punto de inicio de la longitud de onda del escáner de longitud de onda se utilizan para variar la temperatura base del diodo láser semiconductor.

21. Un espectrómetro de acuerdo con la reivindicación 20, en el que los medios para variar la temperatura del diodo láser semiconductor (20) comprende un calentador/refrigerador termoeléctrico o medios para ajustar el ciclo de trabajo o la frecuencia de repetición del impulso de los impulsos de activación de corriente/voltaje repetidos aplicados a los contactos eléctricos del diodo láser o medios para ajustar la amplitud del impulso de corriente/voltaje de activación o medios para ajustar el nivel de base DC de los impulsos de corriente/voltaje de activación aplicados a los contactos eléctricos del diodo láser.

22. Un espectrómetro de acuerdo con las reivindicaciones de la 13 a la 21, en el que un divisor de haz (21, 29) u otro elemento parecido se proporciona para dividir la radiación de salida del láser en dos componentes, el primer componente para que atraviese la muestra y un segundo componente que no atraviesa la muestra.

23. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 22, en el que un diodo láser semiconductor (20) emite radiación con longitud de ondas en el intervalo entre 1µm y 14 µm.

24. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 23, en el que la célula (17) es una célula Herriott.

25. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 24, en el que la onda chirp tiene una frecuencia de variación de aproximadamente 60GHz.

26. Un espectrómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 25 en el que la duración del impulso aplicado es mayor a 150ns, en particular mayor a 200ns.

27. Un espectrómetro de acuerdo con las reivindicaciones de la 13 a la 25, en el que el impulso aplicado tiene una duración que está en el intervalo entre 150 y 300ns, preferiblemente entre 200 y 300ns.