可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， 即TDLAS）是一種紅外吸收光譜分析技術(shù)，利用分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理，實(shí)現(xiàn)高分辨率的分子濃度定量分析技術(shù)。TDLAS能夠進(jìn)行原位非接觸式測(cè)量，并且具有高精度、高選擇性等特性，結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）和鎖相放大等抑制噪聲的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)ppm甚至ppb量級(jí)的痕量氣體分子濃度測(cè)量。
之前我們已經(jīng)介紹過鎖相放大的工作原理和其在TDLAS中的應(yīng)用，今天小編就跟大家聊聊WMS背后的科學(xué)還有實(shí)際的應(yīng)用方式吧！
TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律
了解WMS技術(shù)之前，我們先簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下TDLAS的原理：基本方法是通過調(diào)諧特定的半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)，掃過被測(cè)氣體分子的特定吸收光譜線，被氣體吸收后的透射光由光電探測(cè)器接收，經(jīng)鎖相放大模塊提取透射光譜的諧波分量，反演出待測(cè)氣體濃度信息。
為了確定與于目標(biāo)分子濃度相關(guān)的吸收，必須將透射光強(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0進(jìn)行比較。這個(gè)定量分析的依據(jù)來自Beer-Lambert定律：
其中L為光程，α(v) 是由入射光波長(zhǎng)和樣品中目標(biāo)分子濃度同時(shí)決定的吸收系數(shù)。TDLAS技術(shù)通過使用Beer-Lambert定律分析吸收光譜的數(shù)據(jù)，便可以獲得分子濃度信息。
圖一 TDLAS技術(shù)示意圖
直接吸收光譜（DAS）
接著，我們來看一下直觀的直接吸收光譜（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）技術(shù)。顧名思義，DAS技術(shù)通過檢測(cè)入射光和透射光強(qiáng)度直接獲得光吸收量（如圖二），并根據(jù)兩個(gè)信號(hào)的比例直接推斷出氣體特性，典型的DAS方法得到的信號(hào)如圖三。
圖二 DAS示意圖：調(diào)諧激光器波長(zhǎng)掃過被測(cè)氣體分子的特定吸收光譜線，在吸收峰可以直接看到的投射光強(qiáng)度衰減
圖三 直接吸收光譜（DAS）技術(shù)的典型透射光強(qiáng)度信號(hào)
圖三也顯示了DAS的潛在問題，其相對(duì)簡(jiǎn)易直接的性質(zhì)使得DAS對(duì)許多噪聲源敏感。各種高強(qiáng)度的噪聲可能源于激光強(qiáng)度波動(dòng)、激光波長(zhǎng)波動(dòng)（如果激光波長(zhǎng)在吸收曲線內(nèi)波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致透射光的強(qiáng)度波動(dòng)）、探測(cè)器噪聲、散粒噪聲（光子噪聲）和其他技術(shù)噪聲。如果吸收譜線足夠強(qiáng)，即吸收物質(zhì)的濃度足夠高、提供足夠的信噪比 (SNR)，則可以使用DAS進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。然而，檢測(cè)低濃度的氣體分子需要進(jìn)一步減少接收信號(hào)中的噪聲，WMS就是一種在TDLAS技術(shù)中廣為應(yīng)用來抑制噪聲的方法。
波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）
WMS能夠改善DAS在信噪比較差的環(huán)境中的局限性。將入射激光的波長(zhǎng)用一個(gè)相對(duì)較高頻率的載波（通常約為10 kHz）進(jìn)行調(diào)制（如圖四），并且將吸收光譜信號(hào)以調(diào)制頻率或該頻率的諧波進(jìn)行解調(diào)分析，獲取特異但有規(guī)律可循的諧波波形，從而獲取分子濃度信息。由于噪聲的影響主要存在于低頻，例如二極管的1/f噪聲或機(jī)械噪聲，WMS技術(shù)將吸收光譜的檢測(cè)轉(zhuǎn)移到到了信噪比較優(yōu)的高頻，以此達(dá)到抑制噪聲的目的。
圖四 WMS示意圖：調(diào)制入射激光的波長(zhǎng)至較高頻率，將接收端信號(hào)以調(diào)制頻率的諧波進(jìn)行解調(diào)分析
WMS的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)制可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的注入電流，以達(dá)到對(duì)激光輸出的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的高頻調(diào)制，并將吸收信號(hào)移到了更高的頻率。其中，TDLAS系統(tǒng)的線性響應(yīng)（激光器的線性強(qiáng)度調(diào)諧）以調(diào)制頻率的一次諧波為中心，系統(tǒng)的非線性響應(yīng)（例如吸收和非線性強(qiáng)度調(diào)諧）則反應(yīng)在調(diào)制頻率的二次及更高次諧波，因此可以透過對(duì)高次諧波信號(hào)的分析來提取光譜吸收信息。一般來說，二次諧波分析足以滿足大多數(shù)的氣體分析要求。
要提取并分析在已知載波頻率的高頻信號(hào)，鎖相放大器是一個(gè)十分強(qiáng)大的工具。利用鎖相放大器可以用來創(chuàng)建指定頻率的帶通濾波器，如果帶寬足夠窄，便能抑制寬帶噪聲，所以用于調(diào)制的頻率必須避開主要的噪聲頻率。（點(diǎn)擊這里了解鎖相放大器在TDLAS系統(tǒng)中的功用）
除此之外，WMS技術(shù)還提供了另外一種選擇，能夠通過頻分復(fù)用的方法同時(shí)發(fā)射多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光。多個(gè)激光以不同的頻率調(diào)制并收集在單個(gè)探測(cè)器上，謹(jǐn)慎選擇的調(diào)制頻率能夠盡量避免諧波重疊或拍頻干擾，最終每個(gè)激光信號(hào)都可以由獨(dú)立的鎖相放大通道提取。利用昕虹光電數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的雙通道鎖相放大器，使得實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)多組分分子一體化探測(cè)系統(tǒng)變得經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)分子（如多種溫室氣體N2O,CH4,CO2等）同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
參考文獻(xiàn)：
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.
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