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激光氣體分析儀氣體吸收光譜原理
2021-11-4 閱讀(3222)
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(zhǎng)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(shí)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(guò)程氣體分析領(lǐng)域的應(yīng)用，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(kāi)始被推廣應(yīng)用于大氣研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(lái)，基于DLAS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程分析儀表相比，具有可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量、無(wú)須采樣和樣品處理系統(tǒng)、測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、維護(hù)量小等顯著優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)過(guò)程分析和污染源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
為了達(dá)到更高的測(cè)量精度，更低的探測(cè)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(zhǎng)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(guò)被測(cè)氣體的有效光程，降低探測(cè)下限，從單倍光程的測(cè)量方式發(fā)展到利用Herriott 腔、White 腔等實(shí)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(cè)量，降低測(cè)量下限，波長(zhǎng)在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的量子級(jí)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(cè)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(guò)分析激光被氣體的選擇性吸收來(lái)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(guò)被測(cè)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(shí)和經(jīng)過(guò)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(shí)（濃度較低時(shí)），可用上式來(lái)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(duì)光的衰減也越大。因此，可通過(guò)測(cè)量氣體對(duì)激光的衰減來(lái)測(cè)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(jí)躍遷相聯(lián)系的。線強(qiáng)S（T）反映了躍遷過(guò)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(jí)間躍遷幾率以及處于上下能級(jí)的分子數(shù)目決定。分子在不同能級(jí)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)。
