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激光氣體分析儀氣體吸收光譜原理
2021-11-4 閱讀(3016)
半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（DLAS）最早于 20世紀(jì)70 年代提出。初期的 DLAS 技術(shù)使用中遠(yuǎn)紅外波長的鉛鹽激光器,，這種激光器以及相應(yīng)的中遠(yuǎn)紅外光電傳感器在當(dāng)時只能工作在非常低的液氮甚至液氦溫度下,，從而限制了它在工業(yè)過程氣體分析領(lǐng)域的應(yīng)用，只是一種實驗室研究用技術(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,，具有可以實現(xiàn)現(xiàn)場原位測量,、無須采樣和樣品處理系統(tǒng)、測量準(zhǔn)確,、響應(yīng)迅速,、維護(hù)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,。
為了達(dá)到更高的測量精度,，更低的探測下限，DLAS 技術(shù)在持續(xù)地發(fā)展,。為了抑制噪聲,、提高精度，在調(diào)制技術(shù)方面從直接吸收光譜技術(shù)發(fā)展到波長調(diào)制光譜技術(shù)和頻率調(diào)制光譜技術(shù)等;為了增加光束穿過被測氣體的有效光程,，降低探測下限,，從單倍光程的測量方式發(fā)展到利用Herriott 腔、White 腔等實現(xiàn)多次往返吸收光譜;為了在光譜吸收較強(qiáng)的基帶頻率進(jìn)行測量,，降低測量下限,，波長在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器被應(yīng)用在各種 DLAS 技術(shù)中;另外也可以與光聲檢測技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生激光光聲光譜技術(shù)。
氣體吸收光譜原理
（1）朗伯一比爾定律
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)體激光光源的光譜寬度遠(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)衰減可用朗伯一比爾定律表述∶
Iv= Iv,0T(u)= Iv0exp[-S(T)g(V-V0)pXL]
≈ Iv,0【1-S(T)g（V-V0）XL】
式中 Iv,0和Iv——分別表示頻率為V的激光入射時和經(jīng)過壓力p,、濃度X和光程L的氣體后的光強(qiáng);
S（T）---氣體吸收譜線的強(qiáng)度;
g（v-v0）線性函數(shù)---表征該吸收譜線的形狀,。
通常情況下，氣體的吸收較小時（濃度較低時）,，可用上式來近似表達(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,，由能級間躍遷幾率以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),。
