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半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)基本原理
半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)（diode laser absorption spectroscopy,DLAS）最早于20世紀(jì)70年代提出。初期的DLAS技術(shù)只是一種實(shí)驗(yàn)室研究用技術(shù)，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)在20世紀(jì)80年代的迅速發(fā)展，DLAS技術(shù)開始被推廣應(yīng)用于大氣研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和航空航天等領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)90年代以來，基于DLAS技術(shù)的現(xiàn)場在線分析儀表已逐漸發(fā)展成為熟，與非色散紅外、電化學(xué)、色譜等傳統(tǒng)工業(yè)過程分析儀表相比，具有可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場原位測量、無需采樣和預(yù)處理系統(tǒng)、測量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、維護(hù)工作量小等顯著優(yōu)勢，在工業(yè)過程分析和污染源監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
1.朗伯-比爾定律
     DLAS技術(shù)本質(zhì)上是一種光譜吸收技術(shù)，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統(tǒng)紅外光譜吸收技術(shù)的不同之處在于，半導(dǎo)體激光光譜寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術(shù)是一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)，半導(dǎo)體激光穿過被測氣體的光強(qiáng)衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律表述
 
 式中，IV,0 和IV 分別表示頻率V的激光入射時(shí)和經(jīng)過壓力P，濃度X和光程L的氣體后的光強(qiáng)；S（T）表示氣體吸收譜線的強(qiáng)度；線性函數(shù)g(v-v0)表征該吸收譜線的形狀。通常情況下氣體的吸收較小，可用式（4-2）來近似表達(dá)氣體的吸收。這些關(guān)系式表明氣體濃度越高，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對激光的衰減來測量氣體的濃度。
2.光譜線的線強(qiáng)
氣體分子的吸收總是和分子內(nèi)部從低能態(tài)到高能態(tài)的能級躍遷相聯(lián)系的。線強(qiáng)S（T）反映了躍遷過程中受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射之間強(qiáng)度的凈效果，是吸收光譜譜線最基本的屬性，由能級間躍遷概率經(jīng)及處于上下能級的分子數(shù)目決定。分子在不同能級之間的分布受溫度的影響，因此光譜線的線強(qiáng)也與溫度相關(guān)。如果知道參考線強(qiáng)S（T0），其他溫度下的線強(qiáng)可以由下式求出
 
 式中，Q（T）為分子的配分函數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；En
為下能級能量。各種氣體的吸收譜線的線強(qiáng)S（T0）可以查閱相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)庫。

二、測量技術(shù)和特點(diǎn)
1.調(diào)制光譜檢測技術(shù)
      調(diào)制光譜檢測技術(shù)是一種被最廣泛應(yīng)用的可以獲得較高檢測靈敏度的DLAS技術(shù)。它通過快速調(diào)制激光頻率使其掃過被測氣體吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測技術(shù)測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析氣體的吸收情況。調(diào)制類方案有外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制兩種，外調(diào)制方案通過在半導(dǎo)體激光器外使用電光調(diào)制器等來實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)制，內(nèi)調(diào)制方案則通過直接改變半導(dǎo)體激光器的注入工作電流來實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)制。由于使用的方便性，內(nèi)調(diào)制方案得到更為廣泛的應(yīng)用，下面簡單描述其測量原理。
在激光頻率 掃描過氣體吸收譜線的同時(shí)，以一較高頻率正弦調(diào)制激光工作電流來調(diào)制激光頻率，瞬時(shí)激光頻率 可表示為
 
  式中， （t）表示激光頻率的低頻掃描；a是正弦調(diào)制產(chǎn)生的頻率變化幅度；w為正弦調(diào)制頻率。透射光強(qiáng)可以被表達(dá)為下述Fourier級數(shù)的形式。
                  
 令 等于 ，則可按下式獲得n階Fourier諧波分量
    
 諧波分量 可以使用相敏探測器（PSD）來檢測。調(diào)制光譜技術(shù)通過高頻調(diào)制來顯著降低激光光器噪聲（1/f噪聲）對測量的影響，同時(shí)可以通過給PSD設(shè)置較大的時(shí)間常數(shù)來獲得很窄帶寬的帶通濾波器，從而有效壓縮噪聲帶寬。因此，調(diào)制光譜技術(shù)可以獲得較好的檢測靈敏度。
3.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢
（1）不受背景氣體的影響
   傳統(tǒng)非色散紅外光譜吸收技術(shù)采用的光源譜帶很寬，其譜寬范圍內(nèi)除了被測氣體的吸收譜線外，還有很多基他背景氣體的吸收譜線。因此，光原發(fā)出的光除了被待測氣體的多條吸收譜線吸收外還被一些背景氣體的吸收譜線吸收，從而導(dǎo)致測量的不準(zhǔn)確性。
   而半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)中使用的半導(dǎo)體激光的譜寬小于0.0001nm，為上述紅外光源譜寬的1/106，遠(yuǎn)小于被測氣體一條吸收譜線的譜寬。DLAS氣體濃度分析儀首先選擇被測氣體位于待定頻率的某一吸收譜線，通過調(diào)制激光器的工作電流使激光波長掃描過該吸收譜線，從而獲得如圖3所示的“單線吸收光譜”數(shù)據(jù)。
   在選擇該吸收譜線時(shí)，就保證在所選吸收譜線頻率附近約10倍譜線寬度范圍內(nèi)無測量環(huán)境中背景氣體組分的吸收譜線，從而避免這些背景氣體組分對被測氣體的交叉吸收干擾，保證測量的準(zhǔn)確性（例如圖3中位于6408cm-1  頻率處的CO吸收譜線附近無H2O吸收譜線，從而測理環(huán)境中水分不會對CO的測量產(chǎn)生干擾）。  
（2）不受粉塵與視窗污染的影響
    氣體的濃度由透射光強(qiáng)的二次諧波信號與直流信號的比值來決定。當(dāng)激光傳輸光路中的粉塵或視窗污染產(chǎn)生光強(qiáng)衰減時(shí)，兩信號會等比例下降，從而保持比值不變。因此過程氣體中的粉塵和視窗污染對于儀器的測量結(jié)果沒有影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使粉塵和視窗污染導(dǎo)致光透過率下降到1%，儀器示值誤差仍