可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)基本原理與常見測(cè)量方法

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一、可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)基本原理

根據(jù)Lambert-Beer定律，通過對(duì)氣體吸收后的光進(jìn)行光譜分析，可以準(zhǔn)確得出被測(cè)各項(xiàng)氣體物理參數(shù)，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(cè)量參數(shù)。

 Lambert-Beer 定律

                                            
                         圖1 吸收測(cè)量示意圖
                   Fig.1Schematic ofabsorption measurements

當(dāng)一束光穿過氣體時(shí)，部分光會(huì)被氣體吸收，吸收測(cè)量如圖1.1所示。根據(jù)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(qiáng)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(shí)強(qiáng)度。N是每立方厘米體積內(nèi)吸收分子的分子個(gè)數(shù)，單位為molecules/cm³。s(v)是吸收物質(zhì)的吸收橫截面積，單位為cm²/molecule。L是通過吸收池內(nèi)介質(zhì)的有效吸收光路徑，單位為cm。a(v)是吸收池內(nèi)介質(zhì)的吸收系數(shù)，單位為cm^-1。P_tot為吸收池的總壓強(qiáng)，單位為Torr。x為吸收物質(zhì)的摩爾體積分?jǐn)?shù)，一般也等價(jià)于體積濃度。j(v)為吸收譜線的線型函數(shù)，表示吸收譜線的形狀，與溫度、壓強(qiáng)和吸收介質(zhì)的種類有關(guān)。

二、常見測(cè)量技術(shù)

直接吸收光譜技術(shù)是通過調(diào)諧激光頻率到選擇吸收譜線透過率和譜線形狀進(jìn)行分析，并獲取一些重要信息，如吸收譜線強(qiáng)度和增寬系數(shù)。從這些光譜測(cè)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(shù)值。圖2是典型直接吸收測(cè)量示意圖，信號(hào)發(fā)生器發(fā)生鋸齒波或三角波掃描信號(hào)給激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)DFB激光器，激光器輸出激光通過待測(cè)氣體，光電探測(cè)器接收到透射光，并通過對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析，從而測(cè)量得到氣體濃度值。
                    
                            圖2典型直接吸收測(cè)量示意圖

實(shí)現(xiàn)直接吸收光譜檢測(cè)透射光容易受到背景噪聲的干擾、激光器光強(qiáng)波動(dòng)等因素的影響，為了減小噪聲的干擾，通常會(huì)使用高靈敏光譜技術(shù)，如采用波長調(diào)制技術(shù)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制，實(shí)現(xiàn)抑制高頻背景噪聲，從而極大提高探測(cè)靈敏度和精度。

如圖3所示為波長調(diào)制測(cè)量示意圖，信號(hào)發(fā)生器發(fā)生鋸齒波或三角波掃描信號(hào)疊加快速正弦頻率f的調(diào)制信號(hào)給激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)DFB激光器，激光器輸出調(diào)制光經(jīng)過待測(cè)氣體，光電探測(cè)器接收到吸收后光強(qiáng)，此時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到鎖相放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)輸出波長調(diào)制的諧波信號(hào)，根據(jù)諧波信號(hào)的值計(jì)算得到此時(shí)氣體濃度值。

                        
                             圖3 波長調(diào)制測(cè)量示意圖

三、常見氣體檢測(cè)靈敏度

下表是在吸收系數(shù)在10^-5，1Hz帶寬以及測(cè)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(dá)到最小探測(cè)極限濃度。