TDLAS技术.docx
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TDLAS技术
TDLAS技术
1光谱学基本概念
光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用。
光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。
对光谱最早的研究是牛顿进行的色散实验，他通过玻璃棱镜把太阳光分解成从红光到紫光各种颜色的光谱。
其后夫琅和费也观察到了光谱线。
根据研究光谱方法的不同，把它分为发射光谱学、吸收光谱学和散射光谱学：
发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：
线状光谱、带状光谱和连续光谱。
线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。
吸收光谱的范围很广，大约从10纳米到1000微米。
在200纳米到800纳米的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收。
这些吸收有的是连续的，称为一般吸收光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光谱。
在散射光谱学中，喇曼光谱学是最为普遍的光谱学技术。
当光通过物质时，除了光的透射和吸收外，还观测到光的散射。
在散射光中除了包括原来入射光的频率外，还包括一些新的频率。
这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。
从喇曼光谱中可以得到分子振动能级与转动能级结构的知识。
根据光谱学的理论，每种原子都有其自身的一系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。
把氢原子光谱的最小能量定为最低能量，这个能态称为基态，相应的能级称为基能级。
当原子以某种方式从基态提升到较高的能态上时，原子的内部能量增加了，原子就会把这种多余的能量以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，反之就产生吸收光谱。
这种原子能态的变化不是连续的，而是量子性的，称之为原子能级之间的跃迁。
所有物质都有其独特的吸收光谱。
当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。
2光谱的线型函数及谱线加宽
光谱按其特征可以分为分立谱和连续谱。
分立谱由一些线光谱组成，线光谱的光强分布是在一些频率上出现极大值分布形式。
连续谱是在一段光谱区上光强为连续过渡而无法分离的光谱。
实验证明，介质对入射光波的吸收是在波尔频率附近呈现出某种强度分布，这种与光辐射相关的介质特性称为光谱线的加宽。
它可以分为自然线宽、多普勒展宽和碰撞展宽。
①自然线宽
对于特定的分子能级，都会有一定的平均寿命
，表示处于该能级上全部粒子停留的平均时间，也可以理解为原子所具有的时间测不准量。
根据能量-时间测不准关系，有
即原子的能级有一个由测不准关系自然决定的宽度，这种由能级因测不准关系自然决定的宽度所产生的光谱线加宽为自然加宽。
其中
为能级的自然宽度，表示粒子处于该能级上的不确定性，
为普朗克常数。
如果粒子在两个能级之间跃迁，它产生的谱线并不是单一频率
，而是以这个频率为中心，宽度为
的谱线，其中
，对应的线型函数可写为：
可见，自发辐射光谱线的线型函数为洛仑兹函数，线宽由寿命
决定。
②多普勒展宽
多普勒加宽是发光原子因热运动导致自发辐射中心频率多普勒频移引起的。
在气体介质中，具有不同热运动分量的工作原子，当它们从激发态跃迁到低能态自发辐射时，被探测到的自发辐射光场中心频率随原子热运动速度分量为
。
其中
为运动原子的表现中心频率，
为发光中心频率。
多普勒加宽的线型函数与气体介质中工作原子诸能级上的原子集居数密度按热运动速率的几率分布函数有关。
由于气体分子的无规热运动，各个原子具有不同方向、不同大小的热运动速度。
由于原子自E2能级跃迁自发辐射某一表现频率
的光功率正比于E2能级上对该频率有贡献的原子数，因此光谱线多普勒加宽的线型函数表示为：
这是一个高斯函数，其中K为波尔兹曼常数，T为气体介质的绝对温度，m为工作质量。
高斯线型的光谱线宽为：
×10-27Mkg。
③碰撞展宽
气体中大量原子处于无规则运动状态，碰撞非常频繁。
从原子跃迁的观点来看，碰撞改变了辐射原子的内部能量状态，缩短了原子处于激发态的平均寿命，导致光谱线在自然加宽的基础上被进一步加宽。
若原子间发生碰撞的平均时间间隔为
，则平均碰撞频率为
，碰撞加宽为：
碰撞加宽的最终影响是缩短激发态原子的平均寿命，其加宽的线型函数为洛仑兹函数：
原子受到的平均碰撞频率
与气体的压强、温度、原子间的碰撞截面等有关，碰撞加宽的线宽与气压成线性关系，表示为：
其中
为压力加宽系数，它与气压无关，但随不同的工作气体及不同的跃迁波长而异。
实际上，以上几种气体光谱线加宽现象是同时存在的，因此气体的吸收谱线线型也是由这些谱线加宽所共同决定的。
但实际上气体谱线的自然加宽和多普勒加宽都比较小，碰撞加宽占据了主导地位，因此在应用的时候，有时也可以将气体吸收光谱的线型表述为洛仑兹线型。
3甲烷的吸收谱线
图1CH4红外吸收光谱
上图为CH4红外吸收光谱。
从中可以看出：
在3300nm附近CH4具有最大的吸收强度；其次是在1650nm附近，CH4有较大的吸收强度。
但3300nm波长的快速可调谐激光器结构复杂、价格昂贵，因此不易获得；而1650nm的二极管激光器目前广泛应用于光纤通信领域，可工作于常温环境下、性能可靠、价格低廉，且1650nm激光比较接近通信光纤低损耗传输波长（一般在1550nm），可以采用光纤导出激光，使用方便，因此可选择1650nmCH4吸收线。
4TDLAS技术原理
TDLAS（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）是可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称。
它是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的气体检测方法。
它已经发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性及快速响应的气体检测技术。
具体来说，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。
根据朗伯-贝尔（Lambert-Beer）定律，单一频率的辐射光通过待测气体后，其透射光强度可表示为：
其中I0为没有气体吸收时的强度；L为总的气体吸收光程；N为吸收气体的浓度；
为分子的吸收截面，是吸收线强与线型函数的积，即
，其中S是分子的吸收线强，
为吸收线型函数，S与温度有关，而与压力无关，吸收截面、线型和线宽都依赖于压力和温度。
在大气压下，分子谱线的加宽以压力展宽为主，可以用洛仑兹线型近似表示。
对痕量气体的检测来说，当满足条件
时，这时式（）可以简化为：
在波长调制光谱中，通常在激光器的注入电流上叠加一个正弦分量以实现对激光输出波长的调制。
设调制信号的频率为
，则由激光输出的瞬时频率可表示为：
其中
为调制的中心波长；m为波长调制系数；
为气体吸收线半高半宽（HWHM）。
透射光强是周期性偶函数，可以被展开成为余弦傅里叶级数，同时忽略伴随波长调制所产生的残余幅度调制（RAM），则
上式表明，各谐波分量直接与痕量气体的浓度N成正比，利用锁相放大器可以将各次谐波分量分离出来[7]。
2.5波长调制技术
实际上，气体吸收到的光谱信号极其微弱，直接吸收测量容易受噪声的影响，难以检测到有用信号。
TDLAS技术主要利用对波长进行高频调制，并利用谐波检测技术通过锁相放大器获得吸收光谱的谐波信号，根据谐波信号的峰值检测气体的浓度。
调制技术一般分为两种：
波长调制技术（WMS）和频率调制技术（FMS）。
WMS使用调制频率远远小于线宽，一般在几KHz到几十KHz；而FMS使用调制频率则等于甚至大于线宽，达到上百MHz。
在本设计中，主要是运用波长调制技术。
波长调制技术主要是为了降低测量系统中低频噪声干扰，提高测量灵敏度。
测量中对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制，在后续的信号处理过程中将被去除，进而大大降低了测量系统中外部背景信号的干扰。
其次高频区激光噪声（1/f）和探测器热力噪声都很小，并且测量对象是谱线线型的相对变化，而非直接吸收信号的相对强弱，无需确定测量过程中的基线信号，故波长调制与直接测量相比可以实现更精确的测量。
波长调制技术的主要原理为：
泄漏检测中，气体分子吸收通常很弱（
），可近似认为
为提高检测灵敏度，规避激光器的1/f噪声，采用波长调制光谱技术提取微弱的吸收信号。
在波长调制光谱中，利用TDL输出激光频率与注入电流的线性关系，通常在TDL的注入直流电流上叠加一个高频正弦调制信号和低频锯齿扫描信号。
设调制信号的频率为
，则输出激光的瞬时频率可表示为
其中
为随扫描锯齿信号缓慢变化的中心频率（以目标气体吸收线中心频率
为中心），a为调制幅度。
透射系数可用余弦傅立叶级数展开
利用近似，透射系数的N阶谐波分量可用下式表示：
偶次谐波分量的峰值位于吸收线中心，而奇次谐波分量的峰值相对于吸收线的中心有一个偏移，并且各次谐波分量的幅值随谐波次数的增加而减小。
基于以上原因，在波长调制光谱中通常采用二次谐波分量作为检测信号。
忽略幅度调制的影响，由上式可以看出透射光强的二次谐波信号与吸收气体的浓度成正比：
6基于TDLAS的气体检测
可调谐激光二极管的分类及特性
激光器的结构由以下主要部分组成：
1.工作物质。
是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质。
其类型可以是气体、固体或半导体，种类繁多，可产生的激光波长从真空紫外到远红外。
2.激励源。
用于提供能量来维持粒子数反转，从而得到的稳定的激光信号。
常见的激励源包括光激励，电激励，热激励，化学激励等等。
3.谐振腔。
为了增强受激辐射的强度，采用具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合成的腔体。
光在谐振腔中来回振荡，不断诱发新的受激辐射，造成连锁反应，使得光强度获得放大，从而产生强烈的激光，然后从反射镜输出。
光束在腔内往返振荡的同时，限制了激光的方向和频率，从而保证输出激光具有很好的定向性和单色性。
近些年来，随着通讯行业的发展，半导体激光器得到了迅猛的发展。
在信道间隔已降至50GHz甚至25GHz的密集波分复用系统中，采用可调谐激光器将大大降低系统的运营成本和备份成本。
满足光通信系统要求的商品化的可调谐激光器应该达到如下标准：
低成本、高输出功率（>10mW）、宽的调谐范围（>30nm，覆盖整个C带或L带）、调制速率可达2.5Gb/s以上以及高的可靠性和稳定性，这些都为TDLAS气体测量技术的实现提供了极大的便利。
目前可调谐半导体激光器主要包括可调谐分布反馈激光器（DistributedFeedbackLaser，DFB）、分布布拉格反射镜激光器（DistributedBraggReflectorLaser，DBR）、垂直腔面发射激光器（Vertical-cavitySurface-emittingLaser，VCSEL）和外腔半导体激光器（ExternalCavityDiodeLaser，ECDL）。
（1）DFB激光器
在DFB激光器中，波长选择机构是分布在有源区里的光栅。
可调谐DFB激光器一般通过温度和电流来实现调谐，当改变有源区电极上的注入电流时，埋人芯片中的热沉温度会发生改变，进而使有源区材料的折射率发生变化，导致有源区光栅的峰值反馈波长发生变化，从而实现对波长的调谐。
DFB激光器电调谐的范围较窄，典型值为0.2nm，而通过温度调谐可以达到5nm的范围，但是温度调谐的速度很慢，只能用于对气体谱线位置的大致选择，而不能用于对于谱线的快速扫描。
因此，在测量中对温度和电流同时进行控制，首先通过温度调谐使得激光器输出波长位于吸收谱线中心，然后再利用电调谐来进行谱线的扫描。
相对于ECDL，DFB的输出能量随波长变化比较平稳，可以用三项式拟合的方法确定基线，其频率响应特性较高，能够在高频的工作波段上进行使用。
DFB的输出线形宽度大约为10MHz，相对于谱线的宽度，其宽度已经足够窄，一般而言，通信波段1.5umDFB的功率大概为10mW，在2.0um左右大概为1mW，但是随着科技的进步，激光器输出能量也不断变化。
（2）ECDL激光器
外腔结构的可调谐激光器通常由外部镜面或光栅与半导体激光二极管构成谐振腔。
半导体激光二极管仅起增益介质的作用，波长选取和调谐功能由外部镜面或光栅的光反馈来控制。
ECDL通过改变谐振腔的结构尺寸或形状来进行波长调谐，具有很宽的调谐范围，线宽很窄（典型值为300KHz），但是由于受到调制原理的限制，一般其调制频率不高，不适合测量快速变化的气体介质。
与其他可调谐半导体激光器相比，ECDL偏振噪声更大，且输出能量随波长变化范围很大，难于通过拟合的方法确定基线。
（3）VCSEL激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种新型半导体激光器，它与常规的侧向出光的边发射（edge-emitting）激光器在结构上有着很大的不同：
边发射激光器的出射光平行于芯片表面，VCSEL的出射光垂直于芯片表面。
通过使谐振腔的某个反射镜发生移动，从而改变腔的长度进行波长调谐。
利用电流调谐，其调谐范围可以达到5-6nm，远远高于DFB电流调谐时的典型值0.2nm，这样宽的调谐范围可以同时扫描多条谱线以进行多种气体的测量。
VCSEL激光器具有很高的调谐重复比率（高达MHz），调谐速度很快（>5cm-1us-1），保证了时间分辨率。
每种可调谐半导体激光器的特性是不同的，其应用范围也不同。
可调谐DFB激光器具有无跳模、长期稳定性和光谱特性优良等特点，且技术较成熟，调谐精度较高，其缺点是可调谐范围有限。
但对于气体的浓度检测来说，只需要进行窄带的波长调制就可以扫描过单一的吸收谱线。
因此，可调谐DFB激光器是气体浓度分析的首选。
图2DFB激光器与ECDL激光器参数的对比
6.2残余调制光强对气体吸收光谱线型的影响
电流变化引起激光器输出光功率的变化。
而在大多数情况下，可以认为在波长调制的工作区域内引起的幅度调制相对于注入电流是线性的，则输出光强可表示为：
其中Ic为平均输出激光光强，
为光强调制幅度。
对于常见的DFB激光二极管，激光器驱动电流的余弦变化会产生残余光强调制，其频率为f，幅值为激光器输出光功率的k倍，即
。
调制后的透射光强可表示为：
在二次谐波检测时，主要考虑余弦调制的非线性部分对信号的影响，忽略kt的影响，则对应波长调制吸收信号二次谐波分量表示为：
从上式中可以看出，2f信号包括起主要作用吸收线形的二阶傅里叶分量A2和由于线性幅度调制引入的奇次谐波分量A1和A3。
这样，2f信号就失去了对称性。
图3各次谐波分量和实际二次谐波
从图中可以看出，实际的2f信号由于A1和A3的影响，相对于理想信号在线型上发生了改变。
但2f信号中心频率处的峰值没有受到影响，是因为吸收线型的奇次谐波分量在中心频率处为零。
在实际检测中，采用波峰值与波谷值表示信号幅值，表达式为：
通过分析可知，光强的残余调制增加了探测的奇次谐波分量，使检测信号不对称，造成误差；其次吸收信号微弱，不易检测。
总之，残余调制光强对于检测信号精度有较大的影响。
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