可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 即TDLAS)是一种红外吸收光谱分析技术,利用分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理,实现高分辨率的分子浓度定量分析技术。TDLAS能够进行原位非接触式测量,并且具有高精度、高选择性等特性,结合波长调制光谱(WMS)和锁相放大等抑制噪声的技术,可以实现ppm甚至ppb量级的痕量气体分子浓度测量。
之前我们已经介绍过锁相放大的工作原理和其在TDLAS中的应用,今天小编就跟大家聊聊WMS背后的科学还有实际的应用方式吧!
TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律
了解WMS技术之前,我们先简单复习一下TDLAS的原理:基本方法是通过调谐特定的半导体激光器波长,扫过被测气体分子的特定吸收光谱线,被气体吸收后的透射光由光电探测器接收,经锁相放大模块提取透射光谱的谐波分量,反演出待测气体浓度信息。
为了确定与于目标分子浓度相关的吸收,必须将透射光强度I与入射光强度I0进行比较。这个定量分析的依据来自Beer-Lambert定律:
其中L为光程,α(v) 是由入射光波长和样品中目标分子浓度同时决定的吸收系数。TDLAS技术通过使用Beer-Lambert定律分析吸收光谱的数据,便可以获得分子浓度信息。
图一 TDLAS技术示意图
直接吸收光谱(DAS)
接着,我们来看一下直观的直接吸收光谱(Direct Absorption Spectroscopy, DAS)技术。顾名思义,DAS技术通过检测入射光和透射光强度直接获得光吸收量(如图二),并根据两个信号的比例直接推断出气体特性,典型的DAS方法得到的信号如图三。
图二 DAS示意图:调谐激光器波长扫过被测气体分子的特定吸收光谱线,在吸收峰可以直接看到的投射光强度衰减
图三 直接吸收光谱(DAS)技术的典型透射光强度信号
图三也显示了DAS的潜在问题,其相对简易直接的性质使得DAS对许多噪声源敏感。各种高强度的噪声可能源于激光强度波动、激光波长波动(如果激光波长在吸收曲线内波动,也会导致透射光的强度波动)、探测器噪声、散粒噪声(光子噪声)和其他技术噪声。如果吸收谱线足够强,即吸收物质的浓度足够高、提供足够的信噪比 (SNR),则可以使用DAS进行准确测量。然而,检测低浓度的气体分子需要进一步减少接收信号中的噪声,WMS就是一种在TDLAS技术中广为应用来抑制噪声的方法。
波长调制光谱(WMS)
WMS能够改善DAS在信噪比较差的环境中的局限性。将入射激光的波长用一个相对较高频率的载波(通常约为10 kHz)进行调制(如图四),并且将吸收光谱信号以调制频率或该频率的谐波进行解调分析,获取特异但有规律可循的谐波波形,从而获取分子浓度信息。由于噪声的影响主要存在于低频,例如二极管的1/f噪声或机械噪声,WMS技术将吸收光谱的检测转移到到了信噪比较优的高频,以此达到抑制噪声的目的。
图四 WMS示意图:调制入射激光的波长至较高频率,将接收端信号以调制频率的谐波进行解调分析
WMS的实现是通过调制可调谐半导体激光器的注入电流,以达到对激光输出的波长和强度的高频调制,并将吸收信号移到了更高的频率。其中,TDLAS系统的线性响应(激光器的线性强度调谐)以调制频率的一次谐波为中心,系统的非线性响应(例如吸收和非线性强度调谐)则反应在调制频率的二次及更高次谐波,因此可以透过对高次谐波信号的分析来提取光谱吸收信息。一般来说,二次谐波分析足以满足大多数的气体分析要求。
要提取并分析在已知载波频率的高频信号,锁相放大器是一个十分强大的工具。利用锁相放大器可以用来创建指定频率的带通滤波器,如果带宽足够窄,便能抑制宽带噪声,所以用于调制的频率必须避开主要的噪声频率。(点击这里了解锁相放大器在TDLAS系统中的功用)
除此之外,WMS技术还提供了另外一种选择,能够通过频分复用的方法同时发射多个不同波长的激光。多个激光以不同的频率调制并收集在单个探测器上,谨慎选择的调制频率能够尽量避免谐波重叠或拍频干扰,最终每个激光信号都可以由独立的锁相放大通道提取。利用昕虹光电数字电路实现的双通道锁相放大器,使得实现这样的一个多组分分子一体化探测系统变得经济而简单,实现对多个目标分子(如多种温室气体N2O,CH4,CO2等)同时进行测量。
参考文献:
1. “Absorption spectroscopy”,
http://www.atomic.physics.lu.se/fileadmin/atomfysik/Education/Elective_courses/FAF080_AtomoMolekylSpektr/Lab_absorption_spectroscopy_2017.pdf
2. Christopher Lyle Strand, 2014, ‘Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopy with Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities’, PhD thesis, Standford University, USA.