激光分析仪技术原理
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与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循Beer – Lambert公式
采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术 （TDLAS）
发展历史：
上世纪六十年代，激光器发明 上世纪七、八十年代，激光吸收光谱技术逐步应用于科学实验的精密测量 上世纪九十年代，半导体激光器和光纤元件大规模商用化 上世纪九十年代，欧美国家开始DLAS技术产业化研究
7
.
Copyright @2005 FPI inc, all right
公式说明
线型函数Φ
产生原因：测不准原理 影响因素：温度/压力 归一性：面积不变
8
.
Copyright @2005 FPI inc, all right
DLAS技术
DLAS——Diode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱
发
13
.
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原位测量必须解决三个问题
不受背景气体交叉干扰 不受测量现场粉尘等颗粒物干扰 不受气体参数（温度、压力等）变化的影响
14
.
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“单线光谱”技术
-6
x10 -6 x1 0
FOCUSED PHOTONICS INC
DLAS技术原理培训
市场部-许鹏 03.06.2020
产品基本情况
2
.
Copyright @2005 FPI inc, all right
吸收光谱技术
吸收光谱技术 半导体激光吸收光谱（DLAS）技术
3
.
Copyright @2005 FPI inc, all right
15
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Copyright @2005 FPI inc, all right
调制光谱技术
半导体激光器调制特性
电流波长调谐技术 抗粉尘测量 相敏检测技术 提高探测灵敏度
16
.
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2f trace [a.u.]
环境因素修正
0.25 Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar)
吸收光谱技术
能级的概念
E2 - E1 = hn
光子
分子能量表现
E2
能级跃迁
E1
旋转
4
振动
.
电子跃迁
Copyright @2005 FPI inc, all right
分子光谱
每两个能级对应一根吸收谱线 在低分辨率光谱上表现为谱带
-1 -2
L in e s tr e n g th [ a tcmm ]
5
5x10-6
10 ppm CO @1atm, 300K
4
3
2
1
10000
.
0
4200
4240
4280
Frequency [cm-1]
4320
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浓度测量公式
Fra Baidu bibliotek
测量基本公式
吸收率absorbance
透过率曲线
T (v)
ln(I) ln(I)d
小结
基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收率 浓度测量值和四个因素相关：吸收率、温度、压力、
光程 光源是用半导体激光： 波段窄，可调制
技术上的特点决定了安装测量方式：原位测量
11
.
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原位分析
发射单元
L 接收单元
过程气体
半导体激光 驱动电路
9
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DLAS技术
使用半导体激光器作为光源
单色性好，即光的波长宽度窄。<0.0001nm，传统红外 光源一般在20-30nm左右
可调制扫描
绝大部分光属于红外区域，
波长范围750-2000nm左右。
激光波 长范围
10
.
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60
60
传统光源波长宽度
50
50
激光器波长宽度
40
40
30
30
20
20
10
10
0 7870
7880
7890
7900
Frequency (cm -1)
7910
0
7920
7884.0
7884.2
7884.4
7884.6
Frequency (cm -1 )
单线光谱技术无交叉气体干扰：
激光谱宽非常窄（单色性好） 激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线
数据分析 及控制
中央分析仪器元
数据采集
12
.
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原位分析 VS 采样分析
采样分析
获得样本 预处理 分 析
众多缺点：
• 系统复杂、故障率高 • 探头腐蚀、堵塞 • 长时间滞后 • 经常性的标定
原位分析
现场直接分析过程气体 针对测量工艺的定制化开
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.
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技术比较-传统光谱技术
指标 预处理系 统 测量方式 气体环境
响应速度
准确性
连续性 可靠性 介质干扰 尾气排放 标定维护
运行费用
LGA-2000激光现场在线气体分析仪
传统光谱在线气体分析仪
不需要
必需
现场、连续、实时测量
采样预处理后间断测量
0.20
R7Q8
R7R7
(13142.584 cm-1)
(13140.568 cm-1)
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
0
2
4
6
8 10 12 14 16
Time [ms]
测量气体的温度、压 力等环境参数影响气体 吸收谱线展宽 通过展宽补偿技术可 进行精确补偿： 单线光谱数据 针对测量工艺的展宽 补偿
Absorbance [cm-1]
10 0
CO 2
10 -5
10 0 10 -2 10 -4 1100-62 10 0 1v (4.6 m) 10 -2 10 -4
H 2O
R branch 2v (2.3 m)
CO 3v (1.55 m)
2000
4000
6000
Frequency [cm
-1 ] 8000
X I0
I0 (1.2)
PSL
PSL
v0
v
关键因素Ｘ＝F(Absorbance,T,P,L)
6
.
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公式说明
在波长一定的情况下，S线强由两方面因素决定：
① 分子跃迁上，下能级的波函数 —由分子结构等性质决定
② 分子的集居（Population) —与温度相关
高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶 劣环境适应能力强
采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术 （TDLAS）
发展历史：
上世纪六十年代，激光器发明 上世纪七、八十年代，激光吸收光谱技术逐步应用于科学实验的精密测量 上世纪九十年代，半导体激光器和光纤元件大规模商用化 上世纪九十年代，欧美国家开始DLAS技术产业化研究
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公式说明
线型函数Φ
产生原因：测不准原理 影响因素：温度/压力 归一性：面积不变
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DLAS技术
DLAS——Diode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱
发
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原位测量必须解决三个问题
不受背景气体交叉干扰 不受测量现场粉尘等颗粒物干扰 不受气体参数（温度、压力等）变化的影响
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“单线光谱”技术
-6
x10 -6 x1 0
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DLAS技术原理培训
市场部-许鹏 03.06.2020
产品基本情况
2
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吸收光谱技术
吸收光谱技术 半导体激光吸收光谱（DLAS）技术
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调制光谱技术
半导体激光器调制特性
电流波长调谐技术 抗粉尘测量 相敏检测技术 提高探测灵敏度
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2f trace [a.u.]
环境因素修正
0.25 Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar)
吸收光谱技术
能级的概念
E2 - E1 = hn
光子
分子能量表现
E2
能级跃迁
E1
旋转
4
振动
.
电子跃迁
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分子光谱
每两个能级对应一根吸收谱线 在低分辨率光谱上表现为谱带
-1 -2
L in e s tr e n g th [ a tcmm ]
5
5x10-6
10 ppm CO @1atm, 300K
4
3
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1
10000
.
0
4200
4240
4280
Frequency [cm-1]
4320
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浓度测量公式
Fra Baidu bibliotek
测量基本公式
吸收率absorbance
透过率曲线
T (v)
ln(I) ln(I)d
小结
基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收率 浓度测量值和四个因素相关：吸收率、温度、压力、
光程 光源是用半导体激光： 波段窄，可调制
技术上的特点决定了安装测量方式：原位测量
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原位分析
发射单元
L 接收单元
过程气体
半导体激光 驱动电路
9
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DLAS技术
使用半导体激光器作为光源
单色性好，即光的波长宽度窄。<0.0001nm，传统红外 光源一般在20-30nm左右
可调制扫描
绝大部分光属于红外区域，
波长范围750-2000nm左右。
激光波 长范围
10
.
Copyright @2005 FPI inc, all right
60
60
传统光源波长宽度
50
50
激光器波长宽度
40
40
30
30
20
20
10
10
0 7870
7880
7890
7900
Frequency (cm -1)
7910
0
7920
7884.0
7884.2
7884.4
7884.6
Frequency (cm -1 )
单线光谱技术无交叉气体干扰：
激光谱宽非常窄（单色性好） 激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线
数据分析 及控制
中央分析仪器元
数据采集
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原位分析 VS 采样分析
采样分析
获得样本 预处理 分 析
众多缺点：
• 系统复杂、故障率高 • 探头腐蚀、堵塞 • 长时间滞后 • 经常性的标定
原位分析
现场直接分析过程气体 针对测量工艺的定制化开
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技术比较-传统光谱技术
指标 预处理系 统 测量方式 气体环境
响应速度
准确性
连续性 可靠性 介质干扰 尾气排放 标定维护
运行费用
LGA-2000激光现场在线气体分析仪
传统光谱在线气体分析仪
不需要
必需
现场、连续、实时测量
采样预处理后间断测量
0.20
R7Q8
R7R7
(13142.584 cm-1)
(13140.568 cm-1)
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
0
2
4
6
8 10 12 14 16
Time [ms]
测量气体的温度、压 力等环境参数影响气体 吸收谱线展宽 通过展宽补偿技术可 进行精确补偿： 单线光谱数据 针对测量工艺的展宽 补偿
Absorbance [cm-1]
10 0
CO 2
10 -5
10 0 10 -2 10 -4 1100-62 10 0 1v (4.6 m) 10 -2 10 -4
H 2O
R branch 2v (2.3 m)
CO 3v (1.55 m)
2000
4000
6000
Frequency [cm
-1 ] 8000
X I0
I0 (1.2)
PSL
PSL
v0
v
关键因素Ｘ＝F(Absorbance,T,P,L)
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公式说明
在波长一定的情况下，S线强由两方面因素决定：
① 分子跃迁上，下能级的波函数 —由分子结构等性质决定
② 分子的集居（Population) —与温度相关
高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶 劣环境适应能力强