可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

甄楊

[摘要]基于分子吸收光譜理論的可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量的一種重要方法，具有非接觸、高靈敏度、高分辨率和高選擇性以及可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的原理及應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜;原理;應(yīng)用

一、TDLAS的研究現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)60年代中期第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器問世后，人們迅速將其應(yīng)用在高分辨率吸收光譜領(lǐng)域。F.P.Schafer等發(fā)明了可在近紅外波段實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的染料激光器，從而為可調(diào)諧激光光譜技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。70年代，Hinkley等提出了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）。從那以后，TDLAS技術(shù)受到越來越多的重視，并開始在大氣痕量氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。在1981年Reid等利用波長(zhǎng)調(diào)制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量，并給出了二次諧波的表達(dá)式，從而極大地推動(dòng)了高精度的TDLAS研究發(fā)展。80年代末，激光半導(dǎo)體泵浦技術(shù)的發(fā)展使得TDLAS技術(shù)進(jìn)入到了全固化的發(fā)展階段，應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境以及遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，為便攜式氣體傳感器的應(yīng)用打開了一個(gè)新局面。90年代以后，光通訊技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，光通訊技術(shù)的進(jìn)步使得壽命長(zhǎng)、成本低、單模輸出、寬調(diào)諧和適于室溫工作的半導(dǎo)體激光器大量面向市場(chǎng)，特別是近紅外二極管激光器以其光電轉(zhuǎn)換率高、壽命長(zhǎng)和體積小等特點(diǎn)，為TDLAS在近紅外波段的發(fā)展及其應(yīng)用提供了有利條件，成為大氣環(huán)境痕量氣體監(jiān)測(cè)的理想光源。可調(diào)諧激光器的發(fā)展為光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，對(duì)光譜學(xué)研究領(lǐng)域的廣度和深度都產(chǎn)生了革命性的影響，使光譜學(xué)技術(shù)的探測(cè)靈敏度極限、分辨率提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，更多的應(yīng)用于科學(xué)研究以及工程應(yīng)用中，并獲得了迅速的推廣，如大氣痕量氣體的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，國(guó)外的科研院所以及儀器公司在TDLAS技術(shù)應(yīng)用方面走在我們前面。

挪威納斯克電子光學(xué)公司是激光氣體分析儀領(lǐng)域的率先開發(fā)者之一，也是歐洲最早開始研發(fā)基于激光技術(shù)的氣體分析產(chǎn)品的廠商之一，其Laser GasⅡSP單光路激光分析儀在化工行業(yè)使用較多，是一種緊湊、高性能分析儀，可以用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)在線分析測(cè)量;西門子公司的LDS6二極管激光氣體分析儀，其可應(yīng)用于苛刻的測(cè)量過程環(huán)境中，對(duì)高溫環(huán)境下的煙道氣體組分的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，相應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高。加拿大優(yōu)勝公司開發(fā)的基于近紅外可調(diào)諧二極管技術(shù)LasIR^TM氣體分析系統(tǒng)，產(chǎn)品豐富，技術(shù)完備，是很強(qiáng)的后起之秀。自20世紀(jì)末以來，我國(guó)在環(huán)保檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)能力有了極大地提高。以中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所為代表，逐步展開了環(huán)保檢測(cè)技術(shù)的研究以及相關(guān)檢測(cè)儀器的開發(fā)。2002年，在二極管激光光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上，安光所初步研制出針對(duì)CO₂的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在應(yīng)用方面取得了初步成果，但由于系統(tǒng)的體積較龐大，同時(shí)價(jià)格昂貴，測(cè)量精度不高，并不適于面向市場(chǎng)普及應(yīng)用。隨后針對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣中的CO與CO₂，安光所應(yīng)用TDLAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其排放含量的遙感監(jiān)測(cè)，此外還研制了基于可調(diào)諧激光光譜的甲烷監(jiān)測(cè)儀，為工業(yè)中監(jiān)測(cè)甲烷氣體提供了一種更安全更準(zhǔn)確地方法。除了國(guó)內(nèi)的部分科研院所，一批新興的優(yōu)秀企業(yè)也在污染氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展起來，如杭州聚光科技是TDLAS領(lǐng)域主要開發(fā)廠商之一，是唯一的一家國(guó)內(nèi)激光監(jiān)測(cè)儀廠家，該公司的LGA-4100系列激光采樣在線氣體分析儀也是唯一的一款國(guó)內(nèi)激光監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，該儀器能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中高粉塵、高溫度等惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)被測(cè)氣體的濃度信息、流速信息以及溫度信息的在線監(jiān)測(cè)，是國(guó)內(nèi)脫硝逃逸氨監(jiān)測(cè)采購(gòu)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品最多的單一產(chǎn)品，在環(huán)保、石化、鋼鐵、航天等行業(yè)取得了良好的應(yīng)用，是進(jìn)口產(chǎn)品最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

二、TDLAS的應(yīng)用

在溫度測(cè)量領(lǐng)域，TDLAS可應(yīng)用在一些燃燒環(huán)境溫度高達(dá)1500K以上的特殊檢測(cè)環(huán)境中。由于測(cè)量環(huán)境的極高溫度使得傳統(tǒng)的測(cè)量過程難以實(shí)現(xiàn)，不容易操作，同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)檢測(cè)只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的測(cè)量。若采用TDLAS技術(shù)，利用采集得到其他吸收譜線，通過分析譜線的線型則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量氣體的溫度準(zhǔn)確測(cè)量。利用TDLAS技術(shù)測(cè)量環(huán)境溫度，具有相應(yīng)迅速，準(zhǔn)確度高，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并且測(cè)量結(jié)果可以反映測(cè)量環(huán)境的平均的溫度。可見非接觸的光學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)力很強(qiáng)。

在流速測(cè)量領(lǐng)域，TDLAS技術(shù)通過測(cè)量氣體吸收信號(hào)的多普勒頻移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的流速測(cè)量。在復(fù)雜特殊惡劣的環(huán)境中，TDLAS技術(shù)憑借其非接觸、相應(yīng)快、準(zhǔn)確度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在對(duì)流速的測(cè)量中具有其他測(cè)量技術(shù)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究由于其噴射尾焰溫度極高，速度極快，傳統(tǒng)的測(cè)量方法明顯不能勝任，TDLAS技術(shù)則可稱為是理想的測(cè)量工具。

TDLAS技術(shù)在氣體濃度測(cè)量領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。如在大氣研究領(lǐng)域，利用氣球或者航空器探測(cè)大氣中痕量氣體的應(yīng)用。除了在燃燒診斷學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究、分子光譜學(xué)、高溫研究中的重要應(yīng)用外，半導(dǎo)體激光器在有毒氣體的遙測(cè)、開放環(huán)境氣體檢測(cè)、汽車尾氣測(cè)量中得到了越來越多的重視。在制藥工業(yè)中，調(diào)諧激光器技術(shù)可以用來精確控制生產(chǎn)過程中的氧氣和二氧化碳的濃度以及諸如此的實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥生產(chǎn)中的氣體分析。在制鋁業(yè)中，可以實(shí)現(xiàn)高純度氣體的在線監(jiān)測(cè)、爆炸物以及污染物的檢測(cè)。伴隨著化學(xué)處理方法的更加復(fù)雜，在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中污染氣體監(jiān)測(cè)越來越重要的趨勢(shì)下，半導(dǎo)體激光器在應(yīng)用中的自動(dòng)控制，在線氣體分析成為人們研究的重要方向。