基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展解读

收稿日期:2008-12-01.基金项目:国家“973”计划项目(2006CB604903;国家自然科学基金项目(60876034;中国科学院计划项目(KGCX2-YW -121-2.动态综述

基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展

张晓钧1,2,张永刚1

(11中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,

上海200050;21中国科学院研究生院,北京100039

摘要:介绍了半导体光声光谱气体检测的基本工作原理和相关技术,阐述了半导体激光光源特别是中红外半导体激光器的研究进展及其与光声光谱方法结合的应用现状,讨论了声信号的常用检测方法与改进方案,并展望了发展和应用的新方向。

关键词:半导体激光器;光声光谱;中红外;量子级联激光器;谐振中图分类

号:O433.54文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200903-0326-07

S emiconductor Laser B ased Photoacoustic Spectroscopy G as Detection Methods and Developm ents

ZHAN G Xiao 2jun 1,2,ZHAN G Y o ng 2gang 1

(1.State K ey Laboratory of Functional Materials for Inform atics ,Shanghai Institute of Microsystem and

I nformation T echnology ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai

200050,CHN;2.G radu ate School ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100039,CHN

Abstract :The operation principles of semico nductor laser based p hotoacoustic spectroscopy (PAS gas detection met hods and related technologies are reviewed.The develop ment s on semiconductor laser source especially t he mid 2inf rared

semiconductor laser for PAS are int roduced.The met hods and imp rovement s of acoustic signal detection are discussed ,and t he pro spect s of t he technique are predicted.

K ey w ords :semiconductor laser ;p hotoacoustic spect roscopy ;mid 2inf

rared ;quant um cascade lasers ;resonance

0引言

气候变暖、大气环境污染等问题日益被人们关注,痕量气体检测技术为了解其

起因和过程提供了有效途径。通过测量痕量气体的浓度和随时间变化的情况以及它们的生成和分解速率,归纳总结它们的来源和演变规律,并预测发展趋势和后果,就可以为人们提供及时有效的各种控制方案。碳、氮、硫的氧化物以及臭氧、氨和一些有机物气体分子(如甲烷、乙烯、丙烯等是目前的主要关注对象。

由于人们对环保和健康的要求提高以及环境变

化的日趋复杂,传统的痕量气体检测方法已经很难适应各种新要求,因此迫切需要采用新方法和技术的高性能气体检测系统。随着半导体激光器特别是中红外激光器和高灵敏声信号探测技术的发展与应用,光声光谱技术正蓬勃发展,并表现出高灵敏度、高选择性和相对简单、可小型和微型化等特点,受到人们的重视,可望广泛应用于大气环境监测、医疗诊断等诸多领域。

1历史回顾和基本原理

传统的气体光谱检测技术基于气体对特定波长光的吸收,服从Beer 2Lambert 定律,通过直接测量气体样品的吸收光谱和吸收强度来决定气体的种类和浓度。和常

规的气体光谱技术不同,光声光谱方

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法基于气体的光声效应,属于测热学技术的一种,通过测量特定波长的调制光被气体样品吸收后转化成的热能产生的疏密波信号进行检测。

1880年,Bell 首先报道了光声效应[122];Viegerov 完善了光声技术并完成首次气体光声光

谱分析[3]。Kerr 和Atwood 利用激光光声检测方法获得气体分子的吸收光谱[4]。激光光谱的高亮度和锁相技术的改善能显著增强光声信号,这样也就能确定低浓度的空气污染物质。其基本原理及装置示意图如图1和图2所示

。

由图1可见,气体分子吸收特定波长调制光的光子跃迁到高能激发态,然后通过分子间碰撞以热的形式释放吸收到的能量,使气体受热并膨胀,从而产生疏密波(声波。由于调制光具有周期性,气体的温度也就发生周期性变化,从而致使压力也周期

性变化,这样就能产生能被灵敏麦克风探测的疏密波,疏密波频率与调制光频率相同,且常在声频,因此称为光声光谱方法。

麦克风探测到的光声电压信号S 可表示为S =S m PC

α,其中C 是光声池常数(Pa ・cm/W ,P 是入射的光功率(W ,

α是吸收系数(cm -1,S m 是麦克风的灵敏度(V/Pa 。光声池常数C 与光声池的结构,测试条件和调制频率有关,具体关系是:C =(γ-1L Q/f 0V 。其中L 是腔长,V 是腔的体积,γ

是热容比,Q 是品质因子,f 0是谐振频率。如果调制频率和光声池的谐振频率一致,光声信号就可以产生谐振增强效应。品质因子Q 定义为Q =f 0/Δf 。其中Δf 是谐振半峰宽,小半径纵向谐振腔的Q 值通常在10~50,球形腔的可以达到1000。

2半导体激光光源

气体分子红外吸收光谱通常分为三个区域(见表1。近红外区主要用于研究分子键的倍频或组频吸收,此区域的吸收峰强度一般较弱;中红外区主要研究气体分子的振动能级和振转能级跃迁,绝大多数气体的基频吸收都落在这一区域,吸收最强;远红外区主要用于研究气体分子的纯转动能级跃迁。显而易见,气体检测最希望采用中红外波段的半导体激光光源。

表1红外区的分类区域波长/μm 近红外泛音区0.78~2

中红外基本振动区2~25远红外

转动区

25~300

对采用激光的气体吸收光谱测量(特别是定量测量的应用来说,理想光源应具有以下特性:(1有足够的光功率,以克服固有的电子检测噪声,确保较高的信噪比;(2窄