第36卷，第12期 2016年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 36,No. 12·pp3848-3852
December, 2016
5.2um量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测
周胜1.2，韩艳玲1，李斌成1.3* 1.中国科学院光电技术研究所，四川成都610209 2.中国料学院大学，北京100049
3.电子科技大学光电信息学院，四川成都610054
摘要高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数，气体中残余水汽含量即使是Ppbv量级也会对产品质量产生影响，气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线，在该区域对水汽含量进行检测十分必要。宽调谐范围、高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展，推动了该区域红外光谱检测技术的发展。首次在中红外波段，采用5.2m可调谐量子级联激光器，基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置，并开展了痕量水汽检测实验，通过阿伦方差分析系统噪声水平，确定了光腔衰荡信号最优平均 6060 佳的检测谱线位置。在常压和室温下，对1918cm-"附近的水汽吸收光谱进行测量，测定高纯氮气中的痕量水汽浓度，检测结果与标称值一致。在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8Ppbv。分析结果表明，中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。
关键词光腔衰荡光谱；量子级联微光器；痕量水汽
中图分类号：O433.5
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 10000593(2016)123848-05
可行的痕量水汽检测仪器，但是它不便携带而且装置昂贵和复杂。自1988年O'Keefe等提出光腔衰荡光谱技术后，它作为高精度、高灵敏的光谱检测技术在痕量气体检测领域得到
工业生产中，高纯气体中痕量水汽浓度是一个重要技术参数。特别是在半导体工业中，经常要用到水汽浓度低至 100Ppbv的高纯气体，例如高纯氨气、高纯磷化氢、高纯氮气等门。高纯氮气是半导体器件和集成电路制造过程中的保护气和运载气，被广泛应用于外延生长、光刻、清洗等工序中。水汽的存在会对半导体生长产生负面影，气体中残余水汽含量即使在ppbv(10-*)量级也会最终影响产品的光学和电学特性。为了提高产品质量，必须对水汽浓度进行实时检测和控制。目前对痕量水汽的检测方法有电解法、露点法、傅里叶红外光谱，光腔衰荡光谱等，电解法虽然价格便宜，但是具有一定的局限性，当水汽浓度低于ppmv(10-6）量级时，精度较低。高精密露点仪是目前普遍采用的测量高纯气体中痕量水汽的标准仪器。其测量极限可低至12ppbv，但仪器价格品费，维护困难，响应速度慢，而且此方法对被测气体的清洁性和腐蚀性要求高，否则会影响检测效果或产生“伪结露”而造成测量误差["]。傅里叶红外光谱仪是另一种
收稿日期：2015-09-02，修订日期：2016-01-28
了广泛应用-]。与之前的几种光学检测方法不同，它采用高精度无源光学谐振腔使吸收程长增加至几何程长的上万甚至几十万倍，通过测量激光强度在衰荡腔内的衰荡时间确定腔内总损耗，由于衰荡时间只由腔本身的特性和腔内所含的吸收介质决定，人射光的强度波动对系统检测灵缴度和检测精度没有直接影响，光腔衰荡光谱技术是目前最具应用前景的检测方法，当腔内充入吸收介质时，可通过测量其吸收光谱获得浓度等信息。Hans等利用光腔衰荡技术在1392nm 波长附近对高纯磷化氢气体中的水汽进行了检测，实现了9 Ppbv的检测灵敏度[]。Lehmann等采用反射率为99.9985% 的高反腔镜组成衰荡腔，在1396nm波长附近，利用连续光腔衰荡光谱技术实现了68pptv的检测灵敏度10]。中国科学技术大学胡水明研究组在1.36um波长对氮气中的水汽进行了检测，获得了80PptV的探测极限，其衰荡腔反射率为 99.998%11]。尽管目前光腔衰荡光谱技术已经应用于痕量水汽检测，但是这些高灵敏痕量水汽检测的报道均集中在近
基金项目：国家自然科学基金项目（60878038），中国科学院前沿部署项目（C13K017)资助
作者简介：周胜，1990年生，中国科学院光电技术研究所博士研究生
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