中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是近年發(fā)展起來(lái)的一種激光光譜氣體檢測技術(shù)，相比于常見(jiàn)的電化學(xué)、離子導電陶瓷等技術(shù)，其具有選擇性強、靈敏度高、響應快、可在線(xiàn)測量、抗背景光譜干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，適用于復雜環(huán)境中氣體的長(cháng)期在線(xiàn)檢測。氧氣（O2）是人類(lèi)生存環(huán)境中的重要氣體，氧氣濃度的檢測在生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域應用廣泛、意義重大。
近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授團隊利用TDLAS技術(shù)，實(shí)現了對空氣中氧氣濃度的高靈敏度測量。這項研究根據直接測量法計算得到空氣中氧氣濃度，并采用波長(cháng)調制法進(jìn)一步提高系統的靈敏度，最終得到ppm量級的檢測極限，可滿(mǎn)足多個(gè)領(lǐng)域的應用需求。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國光學(xué)》期刊。
TDLAS技術(shù)主要分為直接吸收光譜技術(shù)（Direct Absorption，DA）和波長(cháng)調制光譜技術(shù)（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）。直接吸收光譜技術(shù)通過(guò)測量光譜吸收率信號，常用于氣體濃度的反演。其工作原理為通過(guò)改變激光器的工作溫度和電流，控制其輸出波長(cháng)范圍，從而獲得一段有完整吸收峰的吸收譜線(xiàn)。在此基礎上，通過(guò)計算吸光度曲線(xiàn)在頻域上的積分值，結合氣體濃度計算式可直接得到氣體濃度。
在這項研究中，為了提高TDLAS檢測系統的信號強度，研究人員對氧氣吸收線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化選擇。根據光譜傳感譜線(xiàn)選擇原則：實(shí)驗中所選激光譜線(xiàn)應具有較強的吸收強度；在譜線(xiàn)附近只存在氧氣吸收線(xiàn)，不存在其他氣體干擾；該譜線(xiàn)應在市面上可獲得的激光光源輸出波段內。實(shí)驗所用激光器為半導體激光器，該激光器輸出功率最大可達18 mW，可以穩定輸出波長(cháng)為760 nm左右的單模高斯光束。
TDLAS測量系統結構示意圖
利用直接吸收光譜技術(shù)，研究人員測出氣壓為99.5 kPa、溫度為291 K實(shí)驗環(huán)境中的氧氣濃度為20.56 %，最小檢測極限為5.53 × 10?3。由于半導體激光器具有線(xiàn)寬窄、頻率調制快等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)注入電流進(jìn)行波長(cháng)調制。在波長(cháng)調制方法中，研究人員優(yōu)化了激光波長(cháng)調制深度，得到了完整的二次諧波波形，用于標定氧氣濃度。通過(guò)計算得到該TDLAS傳感系統信噪比為380.74，測量氧氣濃度的最小檢測極限為540 × 10??。驗證了這項研究提出的傳感系統具有良好的氧氣檢測能力，可廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域中的氧氣濃度檢測。
291 K溫度下空氣中氧氣的吸收光譜圖
TDLAS系統信號幅值隨調制深度的變化關(guān)系
TDLAS 2f信號與噪聲
總之，這項研究利用TDLAS技術(shù)，實(shí)現了對空氣中氧氣濃度的高靈敏度測量。通過(guò)優(yōu)化選擇氧氣吸收線(xiàn)，利用直接測量法獲得氧氣吸光度曲線(xiàn)，計算得到空氣中的氧氣濃度，并用波長(cháng)調制法優(yōu)化了調制深度，最終獲得了ppm量級的優(yōu)異檢測極限。該傳感系統將在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要價(jià)值。
