可調諧激光吸收光譜技術基本原理與常見測量方法

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一、可調諧激光吸收光譜技術基本原理

根據Lambert-Beer定律，通過對氣體吸收后的光進行光譜分析，可以準確得出被測各項氣體物理參數，如氣體的種類、濃度、溫度以及壓力等信息，其中氣體的種類和濃度是最主要的測量參數。

 Lambert-Beer 定律

                                            
                         圖1 吸收測量示意圖
                   Fig.1Schematic ofabsorption measurements

當一束光穿過氣體時，部分光會被氣體吸收，吸收測量如圖1.1所示。根據Lambert-Beer定律，一束頻率為v的單色光通過含有吸光氣體的吸收池后，透射光的強度可以表示為：
    I = I₀exp[-No(v)L ] = I₀exp[-a(v)L]= I₀exp[-PtotxSLφ(v)]
其中I₀是沒有氣體吸收時強度。N是每立方厘米體積內吸收分子的分子個數，單位為molecules/cm³。s(v)是吸收物質的吸收橫截面積，單位為cm²/molecule。L是通過吸收池內介質的有效吸收光路徑，單位為cm。a(v)是吸收池內介質的吸收系數，單位為cm^-1。P_tot為吸收池的總壓強，單位為Torr。x為吸收物質的摩爾體積分數，一般也等價于體積濃度。j(v)為吸收譜線的線型函數，表示吸收譜線的形狀，與溫度、壓強和吸收介質的種類有關。

二、常見測量技術

直接吸收光譜技術是通過調諧激光頻率到選擇吸收譜線透過率和譜線形狀進行分析，并獲取一些重要信息，如吸收譜線強度和增寬系數。從這些光譜測量得到信息可以推斷出氣體溫度、濃度、氣流速度以及壓力等參數值。圖2是典型直接吸收測量示意圖，信號發生器發生鋸齒波或三角波掃描信號給激光驅動器驅動DFB激光器，激光器輸出激光通過待測氣體，光電探測器接收到透射光，并通過對光強信號進行分析，從而測量得到氣體濃度值。
                    
                            圖2典型直接吸收測量示意圖

實現直接吸收光譜檢測透射光容易受到背景噪聲的干擾、激光器光強波動等因素的影響，為了減小噪聲的干擾，通常會使用高靈敏光譜技術，如采用波長調制技術對目標信號進行高頻調制，實現抑制高頻背景噪聲，從而極大提高探測靈敏度和精度。

如圖3所示為波長調制測量示意圖，信號發生器發生鋸齒波或三角波掃描信號疊加快速正弦頻率f的調制信號給激光驅動器驅動DFB激光器，激光器輸出調制光經過待測氣體，光電探測器接收到吸收后光強，此時將光信號轉換成電信號輸入到鎖相放大器對信號進行解調輸出波長調制的諧波信號，根據諧波信號的值計算得到此時氣體濃度值。

                        
                             圖3 波長調制測量示意圖

三、常見氣體檢測靈敏度

下表是在吸收系數在10^-5，1Hz帶寬以及測量有效光程為1m條件下幾種常見氣體在近紅外和中紅外波段的可以達到最小探測極限濃度。