激光气体分析仪的发展现状及其应用

激光气体分析仪的发展现状及其应用
叶 晟
（武汉晟诺仪器科技有限公司 湖北 武汉 430074）
摘 要：本文介绍了可调谐半导体激光吸收光谱（T unable D iode L aser A bsorption S pectroscopy）的基本原理及其在气体传感方面的应用及发展过程。

针对TDLAS在不同行业的应用案例，例如工业过程分析、环境监测、安全检测、医疗应用以及科学研究等，具体阐述了激光气体分析仪的结构和应用特点。

并对激光气体分析仪的发展趋势做了初步探讨。

关键词：TDLAS 可调谐半导体激光器 激光气体分析
1 前言
近年来红外光谱分析技术的快速发展使其气体分析应用得到了普遍推广，同时伴随半导体激光器技术的不断进步，激光器所具有的高转换效率、快速调谐性和高光谱分辨率等优点得以凸显，促成了以近红外半导体激光器为基础的光谱分析方法和仪器成为当前研究和应用的热点。

激光气体分析仪也从传统的单光路结构，向多光路、长光程等技术方向不断拓展，使得TDLAS技术在诸多领域得以推广和应用，并取得了良好的市场经济效益。

2 激光气体分析仪的原理
激光气体分析仪大多采用了半导体激光器作为光源，利用气体在近红外和中红外的吸收光谱特性，对气体类型或浓度进行分析和测量。

2.1可调谐半导体激光吸收光谱原理
可调谐半导体激光吸收光谱（T unable D iode L aser A bsorption S pectroscopy），简称TDLAS，是利用半导体激光器的波长可调谐特性，获得待测气体的吸收线或吸收光谱，从而对待测气体进行定性或定量分析。

待测气体可吸收特定对应波长的激光信号，造成接收光强的变化，该信号的变化符合朗伯-比尔定律，表达式如下：
I v I v exp σ v cL (1)
其中 I为接收光强，I 为激光器原始光强，v为光源频率，σ为吸收面积，c为气体浓度，L为吸收光程。

根据公式(1)可知，当确定激光器频率和吸收截面时，光强的变化与气体浓度和吸收光程成正比。

与传统光源相比较，半导体激光器的光谱宽度要小于气体吸收谱线的展宽，可得到单线吸收光谱，实际应用中可有效地避免背景气体的交叉干扰影响，因此TDLAS技术是一种高分辨率吸收光谱技术。

图1 单线光谱测量原理
TDLAS技术在应用中通过快速调制激光频率，可使光谱扫过被测气体吸收谱线的一定频率范围，然后利用锁相放大和检测技术测量被气体吸收谱线吸收后
的透射激光光强中的谐波分量，以此来分析气体的吸
收。

调制光谱技术通过有效压缩噪音带宽，从而可获得较好的检测灵敏度。

2.2激光气体分析仪的典型结构
激光气体分析仪通常由激光器控制器、光学传感
系统以及锁相放大器及输出电路组成。

典型结构如下图。

图2 激光气体分析仪典型结构
当激光器温度控制稳定后，调制信号发生器产生
一个调制信号，这样能够更好地从背景噪声干扰中分
离出有用的信号。

同时波长扫描信号发生器也将产生
一个波长调制信号，一般采用锯齿波或三角波，通过
电流控制激光器的输出波长或频率，使其扫描通过待
测气体的吸收线。

当产生的信号通过光学传感系统时，待测气体将
对信号产生吸收，吸收后的激光光强产生变化。

通过
锁相放大器，运用互相关原理，将测量信号和参考信
号中的二次谐波分量提出，最后计算并输出气体的测
量浓度结果。

3激光气体分析仪的典型应用
激光气体分析仪基于其高分辨率以及非接触性测
量等特性，可广泛应用于工业过程、环境监测、安全
检测等诸多领域，并已经形成了成熟的应用方案。

近
年来随着宽频扫描以及长光程等技术的引入，激光气
体分析仪开始逐渐向医疗应用及科学研究等领域拓展。

3.1 工业过程气体分析
目前激光气体分析仪及分析系统已经在石油、化工、冶金等重要过程工业领域都有成熟的应用和解决方案，成为工业过程控制自动化系统的重要组成部分。

此类应用中多采用原位测量的方法，即在测量截面上采用对射结构进行测量。

相比较传统的抽取式气体分析方法，原位式测量省去了复杂的取样和预处理系统，结构简单，维护量减少。

其次结合激光光谱的单线波长扫描技术，激光气体分析仪具有了较高的气体分辨率和抗背景干扰性能。

同时原位测量的结果是测量截面的气体浓度平均值，测量结果比抽取式取样更具代表性，响应速度更快，更加符合工业过程自动化控制的需求。

典型的应用如加热炉中的燃烧测控以及脱硝工程中逃逸氨的测量等。

图3 原位测量原理
原位测量的激光气体分析仪在实际应用中对安装的技术要求较严格，对维护和使用人员的专业知识有一定的要求。

3.2 环境监测气体分析
随着对环境保护措施的不断深入，环境监测技术在国内有了长足的发展。

TDLAS技术也被应用于大气质量的监测。

大气中痕量气体的含量一般较小，比如甲烷的平均浓度仅为1.7ppm左右，普通的分析方法显然无法测量。

通过采用可调谐的半导体激光器，加上怀特池气室，激光信号经多次反射及吸收后，再辅以
噪声抑制技术，激光气体分析仪的检测限可以达到
ppb的级别，可完全满足痕量气体的监测要求。

目前的应用已经实现了对大气中CH 、CO、O 、H O等气体的监测。

3.3 安全检测
激光气体分析仪利用了激光吸收光谱特性，属于非接触性测量方法，且灵敏度较高，非常适合危险应用场合的气体泄漏检测。

在燃气和天然气行业中，对管道的泄漏检测也大量使用了采用TDLAS原理的泄漏
检测仪（RMLD-Remote Methane Leak Detector），其有效检测距离可达到近30米左右。

RMLD通常采用一个较大功率的半导体激光器，对检测目标区域发出激光信号，目标反射回的激光信号，经透镜聚焦后传到探测器，整个光程中因燃气泄漏产生的吸收信号被分析并输出，实现了安全检测的目的。

图4 RMLD仪器测量原理
同样的原理也被应用于城市道路上的机动车排放测试，极大地提高了测试的便携性和机动性。

3.4 其他应用
当前已有的研究和文献表明，TDLAS技术在火星探测中对H O和CO 同位素的分析结果表明CO 是火星大气的主要成分。

此外，应用TDLAS技术对人体呼气中的C 同位素的检测可用于人体肠道疾病的诊断，呼气中的NH 含量可用于肝肾疾病的辅助诊断等。

4 激光气体分析仪的发展趋势
半导体激光器是激光气体分析仪的核心部件，其性能直接关系到测试性能的好坏。

常用的激光器是基于锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)等材料，采用了多种特殊工艺加工而成。

虽然一些常用波长如1550nm、1310nm的激光器已经在通讯行业大量应用，但目前针对气体测量的特殊波长的激光器商用化生产的程度不高。

提高激光器的性能成为了激光气体分析仪的主要发展方向之一。

激光器的制造对材料和工艺的要求较高，针对气体吸收波长的激光器目前也只有少数的机构能提供，可批量化商业生产的厂家很少。

个别厂家的激光器可覆盖波长范围已经达到了750nm—3500nm，从近红外到中红外及长波长区域的拓展，使得激光气体分析仪未来的应用领域更加宽广。

此外进一步提高激光器的边摸抑制比（SMSR），实现更窄的光谱线宽，也是提高激光器性能的重要方向。

多组分测量技术是今后TDLAS的发展的另一个主
要方向。

现有的半导体激光器大多为单模激光器，发射固定波长的激光信号，其调谐范围很小，只能实现对单一气体的扫描及检测。

实际应用中，已有采用多个激光器组成激光器阵列的方法，实现多组分气体同时测量的仪器。

此外随着MEMS制造工艺的提高，采用电子束光刻等先进工艺，可在单个激光器上集成多个光栅，实现100nm甚至更宽调谐范围，以达到多组分气体同时测量的目的。

5 结论
本文介绍了可调谐半导体激光吸收光谱的原理以及激光气体分析仪的典型结构，并对实际应用中应用特点作了分析。

随着半导体激光器技术的不断进步，激光器的单线扫描范围逐步扩大，未来可实现单个激光器对多组分气体的扫描和测量；同时TDLAS的检测波长也不断向中红外和长波长区域扩展，其应用前景更加广阔。

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