可调谐半导体吸收光谱技术的研究现状及应用

甄杨

[摘要]基于分子吸收光谱理论的可调谐半导体吸收光谱技术已经成为实现气体浓度测量的一种重要方法，具有非接触、高灵敏度、高分辨率和高选择性以及可以实时监测等优点。本文介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术的原理及应用。

[关键词]可调谐半导体吸收光谱;原理;应用

一、TDLAS的研究现状

自从20世纪60年代中期第一台半导体激光器问世后，人们迅速将其应用在高分辨率吸收光谱领域。F.P.Schafer等发明了可在近红外波段实现调谐的染料激光器，从而为可调谐激光光谱技术奠定了坚实的基础。70年代，Hinkley等提出了可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）。从那以后，TDLAS技术受到越来越多的重视，并开始在大气痕量气体监测领域得到了越来越多的应用。在1981年Reid等利用波长调制的技术实现气体浓度测量，并给出了二次谐波的表达式，从而极大地推动了高精度的TDLAS研究发展。80年代末，激光半导体泵浦技术的发展使得TDLAS技术进入到了全固化的发展阶段，应用于工业、环境以及遥感监测等领域，为便携式气体传感器的应用打开了一个新局面。90年代以后，光通讯技术得到了长足的进步，光通讯技术的进步使得寿命长、成本低、单模输出、宽调谐和适于室温工作的半导体激光器大量面向市场，特别是近红外二极管激光器以其光电转换率高、寿命长和体积小等特点，为TDLAS在近红外波段的发展及其应用提供了有利条件，成为大气环境痕量气体监测的理想光源。可调谐激光器的发展为光谱学技术的发展注入了新的活力，对光谱学研究领域的广度和深度都产生了革命性的影响，使光谱学技术的探测灵敏度极限、分辨率提高了数个数量级，对光谱学技术的发展做出了不可磨灭的贡献，更多的应用于科学研究以及工程应用中，并获得了迅速的推广，如大气痕量气体的监测领域，国外的科研院所以及仪器公司在TDLAS技术应用方面走在我们前面。

挪威納斯克电子光学公司是激光气体分析仪领域的率先开发者之一，也是欧洲最早开始研发基于激光技术的气体分析产品的厂商之一，其Laser GasⅡSP单光路激光分析仪在化工行业使用较多，是一种紧凑、高性能分析仪，可以用来实现连续现场在线分析测量;西门子公司的LDS6二极管激光气体分析仪，其可应用于苛刻的测量过程环境中，对高温环境下的烟道气体组分的变化进行实时在线监测，相应时间短，灵敏度高。加拿大优胜公司开发的基于近红外可调谐二极管技术LasIR^TM气体分析系统，产品丰富，技术完备，是很强的后起之秀。自20世纪末以来，我国在环保检测领域的技术能力有了极大地提高。以中国科学院安徽光学精密机械研究所为代表，逐步展开了环保检测技术的研究以及相关检测仪器的开发。2002年，在二极管激光光谱技术的基础上，安光所初步研制出针对CO₂的监测系统，在应用方面取得了初步成果，但由于系统的体积较庞大，同时价格昂贵，测量精度不高，并不适于面向市场普及应用。随后针对机动车尾气中的CO与CO₂，安光所应用TDLAS技术实现了对其排放含量的遥感监测，此外还研制了基于可调谐激光光谱的甲烷监测仪，为工业中监测甲烷气体提供了一种更安全更准确地方法。除了国内的部分科研院所，一批新兴的优秀企业也在污染气体监测领域发展起来，如杭州聚光科技是TDLAS领域主要开发厂商之一，是唯一的一家国内激光监测仪厂家，该公司的LGA-4100系列激光采样在线气体分析仪也是唯一的一款国内激光监测产品，该仪器能够在工业现场中高粉尘、高温度等恶劣环境中实现被测气体的浓度信息、流速信息以及温度信息的在线监测，是国内脱硝逃逸氨监测采购国产产品最多的单一产品，在环保、石化、钢铁、航天等行业取得了良好的应用，是进口产品最大的竞争对手。

二、TDLAS的应用

在温度测量领域，TDLAS可应用在一些燃烧环境温度高达1500K以上的特殊检测环境中。由于测量环境的极高温度使得传统的测量过程难以实现，不容易操作，同时不能实现温度的连续检测只能实现点的测量。若采用TDLAS技术，利用采集得到其他吸收谱线，通过分析谱线的线型则可以实现对测量气体的温度准确测量。利用TDLAS技术测量环境温度，具有相应迅速，准确度高，操作简单，易于实现等优点，并且测量结果可以反映测量环境的平均的温度。可见非接触的光学测量技术对恶劣环境的适应力很强。

在流速测量领域，TDLAS技术通过测量气体吸收信号的多普勒频移，进而实现对气体的流速测量。在复杂特殊恶劣的环境中，TDLAS技术凭借其非接触、相应快、准确度高、易于实现等优点在对流速的测量中具有其他测量技术所不可比拟的优势。例如，对航空发动机的研究由于其喷射尾焰温度极高，速度极快，传统的测量方法明显不能胜任，TDLAS技术则可称为是理想的测量工具。

TDLAS技术在气体浓度测量领域中也得到了广泛应用。如在大气研究领域，利用气球或者航空器探测大气中痕量气体的应用。除了在燃烧诊断学、航空发动机研究、分子光谱学、高温研究中的重要应用外，半导体激光器在有毒气体的遥测、开放环境气体检测、汽车尾气测量中得到了越来越多的重视。在制药工业中，调谐激光器技术可以用来精确控制生产过程中的氧气和二氧化碳的浓度以及诸如此的实现医药生产中的气体分析。在制铝业中，可以实现高纯度气体的在线监测、爆炸物以及污染物的检测。伴随着化学处理方法的更加复杂，在工业检测领域中污染气体监测越来越重要的趋势下，半导体激光器在应用中的自动控制，在线气体分析成为人们研究的重要方向。