可調諧半導體吸收光譜技術的研究現狀及應用

甄楊

[摘要]基于分子吸收光譜理論的可調諧半導體吸收光譜技術已經成為實現氣體濃度測量的一種重要方法，具有非接觸、高靈敏度、高分辨率和高選擇性以及可以實時監測等優點。本文介紹了可調諧半導體激光吸收光譜技術的原理及應用。

[關鍵詞]可調諧半導體吸收光譜;原理;應用

一、TDLAS的研究現狀

自從20世紀60年代中期第一臺半導體激光器問世后，人們迅速將其應用在高分辨率吸收光譜領域。F.P.Schafer等發明了可在近紅外波段實現調諧的染料激光器，從而為可調諧激光光譜技術奠定了堅實的基礎。70年代，Hinkley等提出了可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）。從那以后，TDLAS技術受到越來越多的重視，并開始在大氣痕量氣體監測領域得到了越來越多的應用。在1981年Reid等利用波長調制的技術實現氣體濃度測量，并給出了二次諧波的表達式，從而極大地推動了高精度的TDLAS研究發展。80年代末，激光半導體泵浦技術的發展使得TDLAS技術進入到了全固化的發展階段，應用于工業、環境以及遙感監測等領域，為便攜式氣體傳感器的應用打開了一個新局面。90年代以后，光通訊技術得到了長足的進步，光通訊技術的進步使得壽命長、成本低、單模輸出、寬調諧和適于室溫工作的半導體激光器大量面向市場，特別是近紅外二極管激光器以其光電轉換率高、壽命長和體積小等特點，為TDLAS在近紅外波段的發展及其應用提供了有利條件，成為大氣環境痕量氣體監測的理想光源。可調諧激光器的發展為光譜學技術的發展注入了新的活力，對光譜學研究領域的廣度和深度都產生了革命性的影響，使光譜學技術的探測靈敏度極限、分辨率提高了數個數量級，對光譜學技術的發展做出了不可磨滅的貢獻，更多的應用于科學研究以及工程應用中，并獲得了迅速的推廣，如大氣痕量氣體的監測領域，國外的科研院所以及儀器公司在TDLAS技術應用方面走在我們前面。

挪威納斯克電子光學公司是激光氣體分析儀領域的率先開發者之一，也是歐洲最早開始研發基于激光技術的氣體分析產品的廠商之一，其Laser GasⅡSP單光路激光分析儀在化工行業使用較多，是一種緊湊、高性能分析儀，可以用來實現連續現場在線分析測量;西門子公司的LDS6二極管激光氣體分析儀，其可應用于苛刻的測量過程環境中，對高溫環境下的煙道氣體組分的變化進行實時在線監測，相應時間短，靈敏度高。加拿大優勝公司開發的基于近紅外可調諧二極管技術LasIR^TM氣體分析系統，產品豐富，技術完備，是很強的后起之秀。自20世紀末以來，我國在環保檢測領域的技術能力有了極大地提高。以中國科學院安徽光學精密機械研究所為代表，逐步展開了環保檢測技術的研究以及相關檢測儀器的開發。2002年，在二極管激光光譜技術的基礎上，安光所初步研制出針對CO₂的監測系統，在應用方面取得了初步成果，但由于系統的體積較龐大，同時價格昂貴，測量精度不高，并不適于面向市場普及應用。隨后針對機動車尾氣中的CO與CO₂，安光所應用TDLAS技術實現了對其排放含量的遙感監測，此外還研制了基于可調諧激光光譜的甲烷監測儀，為工業中監測甲烷氣體提供了一種更安全更準確地方法。除了國內的部分科研院所，一批新興的優秀企業也在污染氣體監測領域發展起來，如杭州聚光科技是TDLAS領域主要開發廠商之一，是唯一的一家國內激光監測儀廠家，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內激光監測產品，該儀器能夠在工業現場中高粉塵、高溫度等惡劣環境中實現被測氣體的濃度信息、流速信息以及溫度信息的在線監測，是國內脫硝逃逸氨監測采購國產產品最多的單一產品，在環保、石化、鋼鐵、航天等行業取得了良好的應用，是進口產品最大的競爭對手。

二、TDLAS的應用

在溫度測量領域，TDLAS可應用在一些燃燒環境溫度高達1500K以上的特殊檢測環境中。由于測量環境的極高溫度使得傳統的測量過程難以實現，不容易操作，同時不能實現溫度的連續檢測只能實現點的測量。若采用TDLAS技術，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現對測量氣體的溫度準確測量。利用TDLAS技術測量環境溫度，具有相應迅速，準確度高，操作簡單，易于實現等優點，并且測量結果可以反映測量環境的平均的溫度。可見非接觸的光學測量技術對惡劣環境的適應力很強。

在流速測量領域，TDLAS技術通過測量氣體吸收信號的多普勒頻移，進而實現對氣體的流速測量。在復雜特殊惡劣的環境中，TDLAS技術憑借其非接觸、相應快、準確度高、易于實現等優點在對流速的測量中具有其他測量技術所不可比擬的優勢。例如，對航空發動機的研究由于其噴射尾焰溫度極高，速度極快，傳統的測量方法明顯不能勝任，TDLAS技術則可稱為是理想的測量工具。

TDLAS技術在氣體濃度測量領域中也得到了廣泛應用。如在大氣研究領域，利用氣球或者航空器探測大氣中痕量氣體的應用。除了在燃燒診斷學、航空發動機研究、分子光譜學、高溫研究中的重要應用外，半導體激光器在有毒氣體的遙測、開放環境氣體檢測、汽車尾氣測量中得到了越來越多的重視。在制藥工業中，調諧激光器技術可以用來精確控制生產過程中的氧氣和二氧化碳的濃度以及諸如此的實現醫藥生產中的氣體分析。在制鋁業中，可以實現高純度氣體的在線監測、爆炸物以及污染物的檢測。伴隨著化學處理方法的更加復雜，在工業檢測領域中污染氣體監測越來越重要的趨勢下，半導體激光器在應用中的自動控制，在線氣體分析成為人們研究的重要方向。