基于多模二极管激光吸收光谱的氧气浓度测量

１ ０， １ １］ 。 并已被广泛运用到光谱测量系统 ［
设计了一套基于关联光谱和谐波检测技术的多模二极管 ，系 统 （ ＴＭＤ Ｌ Ｃ Ｏ Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ ＷＭ Ｓ） 以中心波长位于 ７ ６ ０ｎ ｍ 处的 多 模 二 极 管 激 光 器 作 为 激 发 光 源 ，实现了对氧气 浓 度 的 准 确 测 量 ，并 通 过 对 Ｏ ２ —Ｎ ２ 混合 气体的连续测量 ，验证了系统 的 稳 定 性 和 灵 敏 度 ，同 时 证 明 了该方法在气体监测应用方面的良好效果 。
引 言
是地球大气中主要成分之一 ，也是重要的 助 燃 Ｏ 氧气 （ ２） 物质 。对于燃烧而言 ， Ｏ ２ 浓 度 可 以 直 接 反 映 出 燃 烧 的 情 况， 对Ｏ ２ 浓度的实时在 线 监 测 不 但 可 以 为 提 高 燃 烧 效 率 、降 低 污染物排放提供数据支持 ，而且关系到生 产 的 安 全 顺 利 进 行 和工人的生命安 全 。例 如 在 冶 金 、炼 钢 等 行 业 生 产 过 程 中 ， 焦 炉 煤 气 、转 炉 煤 气 和 高 炉 煤 气 的 主 要 成 分 为 Ｃ Ｏ，Ｈ２ ， ＣＨ４ 等 易 燃 易 爆 气 体 ， 当 氧 气 浓 度 超 过 限 定 值 时 （ １％ ～ ） ， 就易引起爆炸而导致惨重 的 经 济 损 失 与 人 员 伤 亡 。此 ２％
第 １ 期 光谱学与光谱分析 在竞争关系而导致了光强的随机变化 。当 激 光 波 长 被 调 谐 扫 过气体的吸收线时 ，每个模式 都 产 生 自 己 的 吸 收 信 号 。根 据 ）可 以 表 示 Ｂ ｅ ｅ ｒ Ｌ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｔ定律 ，任意一 个 模 式 的 透 过 率 τ ν 狀（ 为
１， ２］ 外 ，在与人类健康有关的呼 吸 气 体 检 测 ［ 及发动机燃烧控 ３， ４］ 制［ 等领域 ，对 Ｏ ２ 的检测也有重要意义 。
，该 技 术 与 为光源的多模二极管激光 吸 收 光 谱 技 术 （ ＴＭＤ Ｌ） 相 结 合 ，利 用 多 个 激 光 模 式 产 生 的 关联光谱技术 （ Ｃ Ｏ Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ） 共振信号推演待测气体浓度 ，提 高 了 测 量 的 可 靠 性 ，已 成 功
７ ９］ 。气体 测 量 应用于一氧化碳 、二氧化碳 、乙炔气体的测量 ［
系统的一项重要指标是系统的探测极限 ，探 测 极 限 一 般 使 用 ／ 信噪比 （ 来 衡 量 。研 究 表 明 ，调 制 技 术 ，例 如 使 用 二 次 Ｓ Ｎ） 谐波探测的波长调 制 光 谱 技 术 ，是 提 高 信 噪 比 的 有 效 方 法 ，
（ ） ４
式中下角标 犕 和 犚 分别表 示 属 于 测 量 和 参 考 光 路 的 物 理 参 量 。为排除干扰气体 的 影 响 ，提 高 测 量 准 确 度 ，只 选 择 参 考
［］ 信号大于 １ ０ ０ 倍噪声 ，且相关系数大于 ０ ． ９ 的信号对 ９ 。
２ 实验部分
２ １ 吸收谱线的选择 图 １ 给出了 Ｏ ． ５～２ ． ０μ ｍ 波 段 的 吸 收 谱 线。 ２ 分子在０ 由图可见 ，氧气 最 强 的 吸 收 区 域 在 ７ ６ ０ｎ ｍ 附 近 ，该 波 段 属 （ ） 于Ｏ 是根据 Ｈ ａ Ｉ Ｔ Ｒ ＡＮ ２ ０ ０ ８数 ２ 转动谱线中的 Ａ 带 。图 ２ 据库得到的温度为 ２ ９ ６Ｋ 时 ， Ｏ ６ ０ｎ ｍ 附近吸收谱 ２ 分子在 ７ 线的 二 次 谐 波 信 号 。由 该 图 可 见 ，在 此 波 段 内 的 Ｏ ２ 吸收谱 线具有较好的离散度 ，适合用多模激光器进行探测 。 ２ ２ 装置和方法 用于 Ｏ ＴＭＤ Ｌ Ｃ Ｏ ２ 测量的多模二极管激光光谱技术（ ） 装 置 如 图 ３ 所 示 。实 验 采 用 Ｆ Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ ＷＭ Ｓ Ｐ型多模激光器 （ ，最 大 输 出 功 率 约 为 １ Ｌ Ｅ Ｏ，Ｌ Ｅ Ｌ Ｄ ７ ６ ０ １ ０ Ｓ） ０ ｍＷ，纵 模 间隔 ０ ． ６ｎ ｍ。 激 光 器 由 激 光 控 制 器 （ Ｉ Ｌ ＸＬ ｉ ｈ ｔ ｗ ａ ｖ ｅＬ Ｄ Ｃ ｇ ） 控制 ，其 发 射 谱 及 其 对 Ｏ ３ ７ ２ ４ ６ ０ｎ ｍ 附近的吸收谱线 ２ 在７ Ｉ Ｌ ＸＬ ｉ ｈ ｔ ｗ ａ ｖ ｅＬ Ｄ Ｃ ３ ７ ２ ４） 实验过程中 ，用 激 光 控 制 器 （ ｇ 控制激光器的波长输出 ，温度调谐范围为 ２ ０～３ ０ ℃ ，频率为 ５ ０Ｈ ｚ的三角波与 １ ２ｋ Ｈ ｚ的 正 弦 波 叠 加 后 对 波 长 进 行 快 速 扫描 。输出光波分为 两 束 ，一 束 送 入 参 考 池 ，另 一 输 送 入 测 量池 。然后被两型号相同的探 测 器 同 时 接 收 ，两 接 收 信 号 由 ） 采集并送 入 基 于 Ｌ １ ６ 位数据采集卡 （ Ａ Ｃ ６ １ １ ５ ａ ｂ Ｖ ｉ ｅ ｗ 编制的 ， 。为 消 除 数字锁相中解调 锁相软件时 间 常 数 设 定 为 ３ ０ ０μ ｓ 空气中 Ｏ ２ 给测量带 来 的 影 响 ，两 光 束 准 直 器 和 两 探 测 器 均 紧贴吸收池两 端 。两 探 测 器 选 用 型 号 相 同 的 Ｉ ｎ Ｓ ｂ光电探测 器 ，具 有 灵 敏 度 高 ，响 应 速 度 快 ，暗 电 流 小 的 特 点 ，适 合 在 犉 犻 ３ 犛 犮 犺 犲 犿 犲犱 犻 犪 狉 犪 犿狅 犳 狋 犺 犲犜犕犇 犔 犆 犗 犛 犘 犈 犆 犠犕 犛狊 狊 狋 犲 犿 犵 犵 狔
犘 狓 犛狀 （ 犜） 狓 是被测气体的浓度 ； 犘 是被测气体的压强 ； 犛 狀， 狀 φ
是吸收谱线线强 ； ｄ ν ＝ １。 狀 是谱线线型函数 ，满足 φ 狀 φ
∫
在波长调制技术中 ，通过锁相放大器 得 到 的 某 个 纵 模 经 过吸收后的二次谐波信号幅值可表示为 珔 珔 犐 犐 ０ ０ 珋 珋 ）≈ 犌 ）＝－ 犌 · 犛 犎２ （ ν ν ２ 犳（ ２ ２ 犘 狓 犔 犛（ 犜） ＋π （ 珋＋犪 ） （ ） ｃ ｏ ｓ ｃ ｏ ｓ ２ ｄ ３ θ θ θ φν － π π 珋 ）为二阶傅里 叶 系 数 ， 其中 犎２ （ 犌 为 探 测 系 统 的 光 电 增 益， ν 珔 犐 ０ 为平均激光光强 。
目前日趋成 熟 的 可 调 谐 半 导 体 激 光 吸 收 光 谱 （ Ｔ Ｄ Ｌ Ａ Ｓ） 技术具有响应速度快 、不干扰 流 场 以 及 可 靠 性 高 等 优 点 ，已
５， ６］ 。但 Ｔ 被广泛应用于 大 气 污 染 物 的 浓 度 测 量 ［ Ｄ Ｌ Ａ Ｓ技术
也存在不足之处 ，它对光源单 模 输 出 要 求 高 ，需 对 光 源 进 行 锁频或严格 的 温 控 ，仅 采 用 某 一 条 谱 线 来 推 演 待 测 气 体 信 息 ，降低了测量的可靠性 。这些 缺 点 制 约 了 它 的 进 一 步 广 泛
狋 狀 ）＝ 犐 （ ｘ ＝ｅ －α τ ν ｐ 狀（ 狀） 犐 ０ 狀
３ ５
（ ） 所示 。由该图可见 ，该激光 器 的 发 射 谱 的覆盖情况如图 ２ ｂ 覆盖了 Ｏ ６ ０ｎ ｍ 附近的多条吸收谱线 。 ２ 在７
（ ） １
式中 ， 犐 犐 α ０ 狀和 狋 狀 分别为第狀 个模式的入射和透射光强 ， 狀 是第
第３ 第１期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ５卷 ， ２０１５ 年 １ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
３ ４ ３ ７ Ｖ ｏ ｌ ．３ ５， Ｎ ｏ ．１， ｐ ｐ ， Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ５ ｙ
∫
在多模二极管激光关联光谱系统中 ，激 光 器 发 出 的 光 束 被分光装置分成两路信号 ，一路作为参考 光 通 过 已 知 目 标 气 体浓度的参考池 ，另一路通过 混 有 待 测 气 体 的 测 量 池 。为 保 持原始信号 的 相 关 状 态 ，测 量 光 和 参 考 光 被 同 时 探 测 和 解 调 。测量和参考信号的关系如下 珔 （ 犛 犐 犔犕 ） ２ 犕／ ０ 犕· ·狓 狓犕 ＝ 犳 ／ 犚 珔 犛 犐 犔犚 ） ２ 犚 （ ０ 犚· 犳 ）犜 犉 犻 ２ （ 犪 犺 犲犮 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犲 犱犃 犫 犪 狀 犱犪 犫 狊 狅 狉 狋 犻 狅 狀犾 犻 狀 犲 狊狅 犳狅 狓 犲 狀犪 犵 狆 狔 犵 ） 犫 犜 犺 犲犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 犱犜 犕 犇 犔犲 犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀 狊 犲 犮 狋 狉 狌 犿 狉 狅 狌 狀 犱７ ６ ０狀 犿（ 狆
２ ０ １ ３ １ ２ ３ ０，修订日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ５ ２ ４ 收稿日期 ：
１ 基本原理
多模激光可看作多个单模激光的集 合 ，各 个 模 式 由 于 存
） ，江苏省高校自然科学基金项目 （ ） ，滨州学院科研基金项目 （ ） 资助 １ １ １ ０ ４ ２ ３ ７ １ １ Ｋ Ｊ Ｂ １ ４ ０ ０ １ ０ Ｂ Ｚ Ｘ Ｙ Ｇ １ ３ ０ ４ 基金项目 ：国家自然科学基金项目 （ ： １ ９ ８ ０ 年生 ，滨州学院光电工程系博士研究生 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｚ ８ ８ ４ ８＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：高光珍 ，女 ， ｇ ｇ ： ｍ ａ ｉ ｌ ｃ ａ ｉ ｔ ｉ ｎ ｄ ｏ ｎ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 通讯联系人 ｅ ＠１ ｇ ｇ
狀 个纵模的吸收系数 ，总透过 光 强 为 各 个 模 式 的 透 过 光 强 之 和。 犐 犚 犚 ０ 狀 ＝犐 ０ 狀， 狀 是 第 狀 个 纵 模 的 光 强 分 配 系 数 ，满 足
∑
犕
狀＝１
。 犚 狀 ＝１
在痕量气体监测中 ，吸光率α 犔１，此时第 狀 个 纵 模 的 狀 透射率变为 （ （ ） ｘ 狓 犔 犛狀 （ 犜） ２ －α τ ｐ 狀 ＝ｅ 狀） 狀 ＝ １－ 犘 狀 ≈ １－α φ 式中 犔 是光程 ，此时第 狀 个纵 模 的 吸 收 系 数α 可 写 成 α 狀 狀 ＝ 犉 犻 １ 犃 犫 狊 狅 狉 狋 犻 狅 狀狊 犲 犮 狋 狉 狌 犿狅 犳犗 狀狋 犺 犲 ２犻 犵 狆 狆 狑 犪 狏 犲 犾 犲 狀 狋 犺狉 犲 犻 狅 狀狅 犳０ ５～２ ０μ 犿 犵 犵