2021-04-08

Inuti gasanalysatorn – diodlasern

Inledningsvis byggde OPSIS alla sina typer av gasanalysatorer på differentiell optisk absorptionsspektroskopi, DOAS. Tekniken utnyttjar en bredbandig (vit) ljuskälla och spektralanalysen görs i ett ganska brett våglängdsområde, typiskt på några tiotals nanometer. Ljuskällorna är ganska enkla gnistgapslampor medan den komplexa tekniken finns i de spektrometrar och interferometrar som delar upp det delvis absorberade ljuset i sina enskilda våglängder och gör det möjligt att mäta upp ljusspektrumet.

Men det finns ett annat sätt att göra spektroskopi. Förutom att skicka ut vitt ljus och göra våglängdsuppdelningen intill ljusdetektorn, så kan man också skicka ut monokromatiskt (enfärgat, smalbandigt) ljus och leda det direkt till detektorn utan någon våglängdsuppdelande enhet däremellan. För att mäta upp ett absorptionsspektrum över ett bredare våglängdsområde varierar man istället ljuskällans våglängd över tid.

Så var hittar man då en monokromatisk ljuskälla där våglängden kan varieras? Svaret finns i halvledarindustrin, och mer specifikt i form av justerbara laserdioder, på engelska ”tunable diode lasers”, TDL:er.

LEDar och diodlasrar

Alla känner vi till ”ljusemitterande dioder”, dvs. lysdioder eller LED:ar. De används som ljuskällor i allehanda elektroniksammanhang och kan lysa rött, grönt, blått och även vitt, det senare särskilt i dagens LED-lampor som numera ersatt de äldre glödtrådslamporna. LED:ar är i grunden enfärgade även om det utsända ljuset ändå täcker ett visst våglängdsområde. Till exempel det röda ljuset från en röd LED är i praktiken en blandning av olika röda våglängder inom ett spektralt band på några tiotals nanometer. Sådana LED:ar fungerar för visuella signaler men inte för spektroskopi där det behövs en bandbredd på en bråkdel av en nanometer. Som en sidonotering kan vi också notera att vita LED:ar i grunden inte är vita. De består antingen av en kombination av en röd, en grön och en blå LED som tillsammans lyser vitt i våra ögon, eller så har de ett fosforescerande ytskikt som lyser vitt när en LED (oftast blå) belyser skiktet underifrån.

Nu har LED:en ett syskon som heter diodlaser. Det är väsentligen också en LED, men med en speciell design där ljusgenereringen sker i en liten kvaitet som är tillverkad med hög precision och som ger upphov till ljuslasring, dvs. förstärkning av en specifik våglängd. Resultatet är att en monokromatisk (enfärgad, smalbandig) ljusstråle skickas ut, ofta i det infraröda området. Det är laserdioder som används som ljuskällor i kommunikation via optiska fiber. En viss typ av laserdiod skickar dock bara ut en viss färg (våglängd, om än med viss justeringsmöjlighet, se nedan), så vill man ha olika våglängder så behöver man olika laserdioder.

En laserdiod i sitt hölje.

Så här långt har vi alltså fått till monokromatiskt ljus från laserdioden, men hur styr man våglängden? Jo, det visar sig att våglängden på det utsända ljuset beror på laserdiodsubstratets temperatur. Vill vi ha en fix våglängd måste temperaturen runt laserdioden vara stabil. I nästa steg kan vi sedan cykla temperaturen med hög precision i ett sågtandsformat mönster, och därmed varieras det utsända ljusets våglängd på ett kontrollerat sätt inom ett visst våglängdsområde. Vi har skapat en justerbar diodlaser, en ”tuneable diode laser” eller TDL.

Att detektera molekyler med en TDL

Våglängdsfönstret som ljuset kan varieras inom är ganska smalt, kanske bara några nanometer, men det räcker mer än väl om vi bara ser till att fönstret placeras över en karakteristisk absorptionslinje för den typ av gasmolekyl vars koncentration vi vill mäta upp. I varje enskilt ögonblick är ljuset monokromatiskt, men genom att snabbt variera våglängden fram och tillbaka inom fönstret kan vi flytta (skanna) våglängden tvärs över molekylens absorptionslinje.

Nästa steg är att synkronisera ljusdetektorn med TDL:ens våglängd och samla in och lagra tusentals spektralmätningar (skanningar) medan ljuset våglängd flyttas fram och tillbaka. Slutresultatet är ett smalbandigt (kanske några nm) absorptionsspektrum omkring molekylens absorptionslinje. Det spektrumet jämförs sedan med ett referensspektrum som motsvarar en känd koncentration av molekyler, och den aktuella koncentrationen av gasmolekylen kan beräknas.

Det finns främst två saker som komplicerar användandet av TDL:er. För det första måste TDL:ens temperatur styras med mycket hög precision, ner till bråkdelar av en grad, annars kommer man inte att veta vilken våglängd som skickas ut. TDL:en i sig måste därför vara monterad i en omgivning vars temperatur är väldigt väl kontrollerad, och det hela instrumentet som huserar TDL:en får inte heller utsättas för snabba yttre temperaturvariationer. Annars kommer reglerloopen för TDL:ens temperaturstyrning att störas alltför mycket.

För det andra kan olika typer av molekyler vars koncentrationer vi vill mäta upp ha användbara absorptionslinjer vid märkbart olika våglängder. En TDL kan dock bara tillverkas för att skicka ut ljus i ett ganska smalt våglängdsfönster, typiskt optimerat och centrerat kring en viss molekylär absorptionslinje. Bredden på fönstret begränsar därför hur många typer av molekyler som kan detekteras med samma TDL. Med ett fönster vars bredd är bara några nanometer kan man i de flesta fall bara mäta upp ljusabsorptionen för en eller möjligen två sorters molekyler med en och samma TDL. Det behövs därför oftast en TDL (i praktiken en hel lasermodul med temperaturstyrning, kanske inbyggd självkalibrering av våglängden, mm.) för varje typ av gas vars koncentration vi vill mäta.

I några få fall, till exempel för CO och CO₂, kan det finnas två sorters molekyler som har användbara absorptionslinjer tillräckligt nära varandra för att täckas av en enda TDL:s våglängdsfönster. Koncentrationen av gasformigt vatten (H₂O) är också ofta möjligt att mäta tillsammans med en annan typ av gas med en enda TDL. Det beror på att H₂O har väldigt många absorptionslinjer i ett mycket brett spektralt område, och någon eller några hamnar ofta inom en TDL:s våglängdsfönster även om den egentligen är till för att mäta ljusabsorptionen som orsakas av en annan molekyltyp. H₂O är faktiskt en slags ”spektral förorening” som riskerar att skapa interferens med andra molekyltypers absorptionslinjer. Det är dock hanterbart genom lämpliga val av våglängdsfönster och noggrann analys av de enskilda absorptionslinjerna in det uppmätta spektrumet.

OPSIS LD500

OPSIS erbjudande inom TDL-tekniken är gasanalysatorn av modell LD500. Den kan bestyckas med en till fyra lasermoduler, där var och en möjliggör mätning av koncentrationer av en eller i vissa fall två typer av gaser. Laserljuset leds via en speciell sorts optisk fiber till en sändare. Därifrån skickas en ljusstråle tvärs igenom området där man vill mäta gaskoncentrationen. Laserljuset fångas upp av en detektor monterad inuti en mottagare som sitter mitt emot sändaren. Denna konfiguration minimerar ljusförlusterna jämfört med att skicka ljuset via en fiber tillbaka till instrumentet och låta detektorn sitta där istället. För maximal flexibilitet och för att minimera störningar digitaliseras detektorsignalen i mottagaren och skickas tillbaka till LD500an via en optisk fiberkabel, dock en vanlig och billig kommunikationsfiber. Insamling av de spektrala signalerna och beräkning av koncentrationerna sker sedan i LD500:an.

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

Att välja rätt gasanalysator

OPSIS TDL-baserade gasanalysatorer har en helt annan funktionsprincip än analysatorerna av UV-DOAS- och IR-DOAS-typ. Vilken modell skall man då välja? Behöver man bara mäta koncentrationen av en eller två typer av gaser så är det oftast mest kostnadseffektivt att använda en TDL-analysator. Vid koncentrationsmätningar av flera gaser samtidigt är det mest kostnadseffektivt att använda en UV-DOAS- eller IR-DOAS-analysator, eller en kombination av dem. Det finns dock också andra faktorer att ta hänsyn till. Vissa typer av gaser kan av fysikaliska eller praktiska skäl bara detekteras av endera av analysatortyperna, och krav på mätprestanda kan också göra att en viss analysatortyp blir enda möjliga valet.

Det är mycket att tänka på, men kontakta bara OPSIS så hjälper vi er hitta den bästa mätsystemlösningen i ert specifika fall!