为了满足基于室温连续量子级联激光器(QCL)的中红外气体检测系统的需求, 研制了板级量子级联激光器的驱动电路以及谐波锁相放大电路。通过信号发生电路产生高精度的直流偏置信号、低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号, 控制激光器的工作电流, 进而扫描/调制激光器的输出波长; 为了探测痕量气体吸收光谱的二次谐波信号, 并获得较高的信噪比, 研制了锁相放大电路, 主要包括倍频电路、正交转换电路和数据转换电路; 为了提高系统的稳定性和可靠性, 研制了高稳定性的线性供电电路以及保护电路.采用中科院半导体所研制的波长为4.76 μm的QCL作为光源, 开展了电学系统的功能验证实验以及气体检测实验.实验结果表明: QCL驱动电路线性度为0.006 3%, 长期电流稳定度为5.0×10-5, QCL光强稳定度为5.07×10-4; 锁相放大器系统具有较高的稳定性和较低的误差, 一次谐波的最大误差在2.4%以内, 二次谐波的最大误差在5.5%以内.通过动态配气方式开展了低浓度一氧化碳(CO)气体检测实验, 在0~100 ppm范围内, 二次谐波信号的幅值与CO气体浓度具有较高的线性度(拟合优度>0.99), 表明所研制的电学系统具有良好的稳定性和可靠性, 为中红外CO气体的检测提供了安全可靠的保障.

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中, 精确提取窄脉冲传感信号的幅度, 设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点, 窄脉冲信号经过窄带通滤波电路, 得到基频正弦波信号, 再经过主放大、移相、相敏检波电路, 得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号, 对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明, 锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系, 线性拟合度约为98.043%；信号幅值的相对测量误差不超过3%；在1 h的测试时间内, 信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器, 开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内, 随着一氧化碳浓度的增加, 锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据Allan方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比, 该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点, 在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.