光谱吸收技术
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0 / 2
I d
假设在间隔内I()基本保持不变，则有
0 / 2 0
I d I
/2
第一节 基本吸收光谱技术
0 / 2 0
I d I d I
I 0 IT
I0 x
第一节 基本吸收光谱技术 吸收系数 的测量
从理论上可通过爱恩斯坦的光和物质相互作用求得
dI B12 N1 hdl,
dI B12 I N1 (h / c)dl
I / c
一、Lambert-Beer定律
dI Idl
表示单位长度单位强度的吸收，即吸收系数。当
为与光强无关时的常数时，上式即为线性吸收的 Lambert-Beer定律，积分形式
I I 0 exp L
光强度的吸收与样品长度有关
第一节 基本吸收光谱技术 吸收系数 的测量
可由吸收光程x和透过样品的光强 I T 来计算
I T I 0 exp x
对于一般气体样品，吸收系数 比较小，在吸收 程x不是太大时有 x 1
I T I 0 exp x I 0 1 x
1.8
1.9
wavelength (m)
Simulation result with FEMLAB
Relative sensitivity of Lucent’s PCF with as a function of wavelength
Highly Nonlinear PCF (Blazephotonics)
PBF Gas Sensor
The diameter of the hollow-core= 10.5μm, the air-hole diameters in the cladding are ~3.3µ m The measured relative sensitivity of the PBF = 95.45%
1 5 3 0 .4
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
Laser spectrum
x 10 4 3 2
a rb . u n i t
-3
(a ) S e c o n d H a rm o n ic S ig n a l
1 0 -1
Wavelength modulation Slow Scan
B12 N1 (h / c)
I I 0 exp B12 N1 (h / c) L
围绕中心频率存在线型分布 0 g 0
第一节 基本吸收光谱技术
则有
0 g 0 B12 N1 (h / c) g 0
第四章 激光吸收光谱技术
主讲教师：许立新
第一节 基本吸收光谱技术
一、Lambert-Beer定律
当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度 会因分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为dl的分子层 时其强度的衰减量dI与传输到这里的光强I成正比：
dI Idl
第一节 基本吸收光谱技术
The optical fiber gas detection system is based on IR absorption using open-type fiber coupled micro-optic cells.
采用谐波探测技术提高探测性能
x 10 4
-3
(a ) F irs t H a rm o n ic S ig n a l
/2
0
0 / 2
/2
由此可得
I 1 I
0 / 2 0
d / 2
用很窄的激光谱线可得很小的光谱宽度，大大增加了 检测灵敏度
第一节 基本吸收光谱技术
3、能实现高精度的光谱定标
将进入样品池前的光束分出一部分弱光，耦合进一个长间 距的F－P干涉仪，调谐激光频率时，干涉仪透出一系 列的极大值，即对光谱波长定标
Gas absorption line
2nd harmonic signal
2
a rb . u n i t
0
-2
-4
-6 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
1 5 3 0 .3 5
1 5 3 0 .4
Hale Waihona Puke Baidu
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
-2 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
Laser spectrum
x 10 4 3 2
a rb . u n i t
-3
(a ) S e c o n d H a rm o n ic S ig n a l
1 0 -1
Wavelength modulation Slow Scan
-2 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
/ N1
分子的吸收截面
B12 h / cg 0
I I 0 exp N1 L I / I 0 exp CL
C为分子数密度
第一节 基本吸收光谱技术
Gas chamber
Gas sensors
Gas detection system
光子晶体光纤应用
Si及空气微 孔组成光子 晶体光纤包 层包围在芯 层周围的空 气孔非常敏 感地影响光 子晶体光纤 的传输特性
Gas Detection Using PCF
在 1.53 和 1.65 m波长,相对灵敏 度比开道气室提高 3.8% 和 4.7%.
150 mW pump power @ 780 nm, 50 fs pulse width, 76 MHz rep. rate
Dispersion [ps/nm/km]
0
-60
Intensity [dB]
-50
-70 -80 -90 -100
-100
-150 600 650 700 750 800 850 900
第一节 基本吸收光谱技术
I2
I1 I3
I1 I I 2 (1 ) I I1 I I1
第一节 基本吸收光谱技术
平衡器的输出信号 I s
1 I I I I 1 2 I
性能优良的光栅红外光 谱仪（分辨率 ~0.07 cm-1）测量 同一光谱
第一节 基本吸收光谱技术
2、高检测灵敏度 光谱检测灵敏度表示对微弱光谱信号的检测能力
(1) 增加吸收光程可提高检测灵敏度
传统光源发散角大、激光方向性好 (2) 激光器光源的光谱功率密度很高，可忽略检测器本身 的噪声，还可采用平衡检测方法
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
一、频率调制光谱技术 通过检测透过吸收池的透射光强来获得吸收谱，缺点是： 易受背景噪声干扰 背景噪声：a、吸收池窗的吸收；b、激光强度的起伏； c、吸收池内被测分子的密度起伏 背景噪声的频谱一般在低频段，采用对激光频率进行高 频调制的方法可以在一定程度上抑制低频背景噪声。 以频率调制为基础的可调谐半导体激光吸收光谱学 （TDLAS）迅速发展，与长程吸收池相结合，成为一 种重要的痕量气体检测方法。
x 10 4
-3
(a ) F irs t H a rm o n ic S ig n a l
Gas absorption line
2nd harmonic signal
2
a rb . u n i t
0
-2
-4
-6 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
1 5 3 0 .3 5
Nonlinear PCF (Crystal Fiber A/S)
Specification
Core size: 2.0 µ m Numerical Aperture: 0.41 ± 0.03 Attenuation @ 550 – 1150 nm: < 0.15 dB/m
50
-40 -50
1 5 3 0 .3 5
1 5 3 0 .4
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
W a ve le n g th (n m )
Measurement setup for the detection of the acetylene concentration in the gas chamber
10 m Very small (800 nm) core diameter
1 m
very high effective nonlinearity
anomalous dispersion in visible & near infra-red (zero dispersion point at 560 nm)
多点气体传感器
空间复用气体探测系统
Gas sensors
DFB Laser Reference Cell
Optical Coupler
Control Circuit and Signal Process
Optical Detector
I0
Gas cell LC GRIN rod lens
I
Monitoring Station
-110 400
600
800
1000
1200
1400
Wavelength [nm]
Wavelength [nm]
气体扩散测量
0
Power Difference (dB)
-2
-4
-6
-8 1520
1523 1526 1529 1532 1535 1538 1541
Wavelength (nm)
Acetylene (C2H2) and air acted as two different gas species in the experiment. Experimental setup: ASE Source, TOF with bandwidth of 0.02nm, 10cm PCF, gap =50m.
当=1/2时，
I s I 2 I1/
I s I
可由Is表示吸收光谱
第一节 基本吸收光谱技术
(3)检测灵敏度随光谱分辨率 / 的增加而提高， 只要保持光谱宽度大于吸收线的线宽
0 / 2
I 0 / 2 0 / 2 I I d
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
激光强度波动等对吸收谱的测量产生影响，这种波动峰 值在DC处，并以1/f衰减，频率调制将信号移至高频， 避免了1/f噪声。
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
调制后透射光强
泰勒级数展开
整理后可得
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
采用谐波探测技术提高探测性能
二、激光吸收光谱特点
激光特性：
单色性、高亮度、高方向性、宽调谐、可调制 1、高光谱分辨率 传统吸收光谱技术分辨率限制： 谱线展宽效应、仪器分辨率（分光元件、狭缝宽度） 激光吸收光谱技术： 波长扫描、光源线宽（10-5~10-8 cm-1
第一节 基本吸收光谱技术
SF6分子的3带高分辨 红外吸收光谱，分 辨率3X10-5 cm-1
相对灵敏度随气孔直径与气孔间 距比变化
d/=
10 9 0.93 0.9 0.87 0.84 0.75 7
Modified PCF
relative sensitivity r (%)
8
0.69 Lucent's PCF
6 5 4 3 2 1 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
I d
假设在间隔内I()基本保持不变，则有
0 / 2 0
I d I
/2
第一节 基本吸收光谱技术
0 / 2 0
I d I d I
I 0 IT
I0 x
第一节 基本吸收光谱技术 吸收系数 的测量
从理论上可通过爱恩斯坦的光和物质相互作用求得
dI B12 N1 hdl,
dI B12 I N1 (h / c)dl
I / c
一、Lambert-Beer定律
dI Idl
表示单位长度单位强度的吸收，即吸收系数。当
为与光强无关时的常数时，上式即为线性吸收的 Lambert-Beer定律，积分形式
I I 0 exp L
光强度的吸收与样品长度有关
第一节 基本吸收光谱技术 吸收系数 的测量
可由吸收光程x和透过样品的光强 I T 来计算
I T I 0 exp x
对于一般气体样品，吸收系数 比较小，在吸收 程x不是太大时有 x 1
I T I 0 exp x I 0 1 x
1.8
1.9
wavelength (m)
Simulation result with FEMLAB
Relative sensitivity of Lucent’s PCF with as a function of wavelength
Highly Nonlinear PCF (Blazephotonics)
PBF Gas Sensor
The diameter of the hollow-core= 10.5μm, the air-hole diameters in the cladding are ~3.3µ m The measured relative sensitivity of the PBF = 95.45%
1 5 3 0 .4
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
Laser spectrum
x 10 4 3 2
a rb . u n i t
-3
(a ) S e c o n d H a rm o n ic S ig n a l
1 0 -1
Wavelength modulation Slow Scan
B12 N1 (h / c)
I I 0 exp B12 N1 (h / c) L
围绕中心频率存在线型分布 0 g 0
第一节 基本吸收光谱技术
则有
0 g 0 B12 N1 (h / c) g 0
第四章 激光吸收光谱技术
主讲教师：许立新
第一节 基本吸收光谱技术
一、Lambert-Beer定律
当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度 会因分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为dl的分子层 时其强度的衰减量dI与传输到这里的光强I成正比：
dI Idl
第一节 基本吸收光谱技术
The optical fiber gas detection system is based on IR absorption using open-type fiber coupled micro-optic cells.
采用谐波探测技术提高探测性能
x 10 4
-3
(a ) F irs t H a rm o n ic S ig n a l
/2
0
0 / 2
/2
由此可得
I 1 I
0 / 2 0
d / 2
用很窄的激光谱线可得很小的光谱宽度，大大增加了 检测灵敏度
第一节 基本吸收光谱技术
3、能实现高精度的光谱定标
将进入样品池前的光束分出一部分弱光，耦合进一个长间 距的F－P干涉仪，调谐激光频率时，干涉仪透出一系 列的极大值，即对光谱波长定标
Gas absorption line
2nd harmonic signal
2
a rb . u n i t
0
-2
-4
-6 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
1 5 3 0 .3 5
1 5 3 0 .4
Hale Waihona Puke Baidu
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
-2 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
Laser spectrum
x 10 4 3 2
a rb . u n i t
-3
(a ) S e c o n d H a rm o n ic S ig n a l
1 0 -1
Wavelength modulation Slow Scan
-2 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
/ N1
分子的吸收截面
B12 h / cg 0
I I 0 exp N1 L I / I 0 exp CL
C为分子数密度
第一节 基本吸收光谱技术
Gas chamber
Gas sensors
Gas detection system
光子晶体光纤应用
Si及空气微 孔组成光子 晶体光纤包 层包围在芯 层周围的空 气孔非常敏 感地影响光 子晶体光纤 的传输特性
Gas Detection Using PCF
在 1.53 和 1.65 m波长,相对灵敏 度比开道气室提高 3.8% 和 4.7%.
150 mW pump power @ 780 nm, 50 fs pulse width, 76 MHz rep. rate
Dispersion [ps/nm/km]
0
-60
Intensity [dB]
-50
-70 -80 -90 -100
-100
-150 600 650 700 750 800 850 900
第一节 基本吸收光谱技术
I2
I1 I3
I1 I I 2 (1 ) I I1 I I1
第一节 基本吸收光谱技术
平衡器的输出信号 I s
1 I I I I 1 2 I
性能优良的光栅红外光 谱仪（分辨率 ~0.07 cm-1）测量 同一光谱
第一节 基本吸收光谱技术
2、高检测灵敏度 光谱检测灵敏度表示对微弱光谱信号的检测能力
(1) 增加吸收光程可提高检测灵敏度
传统光源发散角大、激光方向性好 (2) 激光器光源的光谱功率密度很高，可忽略检测器本身 的噪声，还可采用平衡检测方法
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
一、频率调制光谱技术 通过检测透过吸收池的透射光强来获得吸收谱，缺点是： 易受背景噪声干扰 背景噪声：a、吸收池窗的吸收；b、激光强度的起伏； c、吸收池内被测分子的密度起伏 背景噪声的频谱一般在低频段，采用对激光频率进行高 频调制的方法可以在一定程度上抑制低频背景噪声。 以频率调制为基础的可调谐半导体激光吸收光谱学 （TDLAS）迅速发展，与长程吸收池相结合，成为一 种重要的痕量气体检测方法。
x 10 4
-3
(a ) F irs t H a rm o n ic S ig n a l
Gas absorption line
2nd harmonic signal
2
a rb . u n i t
0
-2
-4
-6 1 5 3 0 .2
1 5 3 0 .2 5
1 5 3 0 .3
1 5 3 0 .3 5
Nonlinear PCF (Crystal Fiber A/S)
Specification
Core size: 2.0 µ m Numerical Aperture: 0.41 ± 0.03 Attenuation @ 550 – 1150 nm: < 0.15 dB/m
50
-40 -50
1 5 3 0 .3 5
1 5 3 0 .4
1 5 3 0 .4 5
1 5 3 0 .5
1 5 3 0 .5 5
1 5 3 0 .6
W a ve le n g th (n m )
Measurement setup for the detection of the acetylene concentration in the gas chamber
10 m Very small (800 nm) core diameter
1 m
very high effective nonlinearity
anomalous dispersion in visible & near infra-red (zero dispersion point at 560 nm)
多点气体传感器
空间复用气体探测系统
Gas sensors
DFB Laser Reference Cell
Optical Coupler
Control Circuit and Signal Process
Optical Detector
I0
Gas cell LC GRIN rod lens
I
Monitoring Station
-110 400
600
800
1000
1200
1400
Wavelength [nm]
Wavelength [nm]
气体扩散测量
0
Power Difference (dB)
-2
-4
-6
-8 1520
1523 1526 1529 1532 1535 1538 1541
Wavelength (nm)
Acetylene (C2H2) and air acted as two different gas species in the experiment. Experimental setup: ASE Source, TOF with bandwidth of 0.02nm, 10cm PCF, gap =50m.
当=1/2时，
I s I 2 I1/
I s I
可由Is表示吸收光谱
第一节 基本吸收光谱技术
(3)检测灵敏度随光谱分辨率 / 的增加而提高， 只要保持光谱宽度大于吸收线的线宽
0 / 2
I 0 / 2 0 / 2 I I d
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
激光强度波动等对吸收谱的测量产生影响，这种波动峰 值在DC处，并以1/f衰减，频率调制将信号移至高频， 避免了1/f噪声。
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
调制后透射光强
泰勒级数展开
整理后可得
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
第二节 高灵敏度吸收光谱技术
采用谐波探测技术提高探测性能
二、激光吸收光谱特点
激光特性：
单色性、高亮度、高方向性、宽调谐、可调制 1、高光谱分辨率 传统吸收光谱技术分辨率限制： 谱线展宽效应、仪器分辨率（分光元件、狭缝宽度） 激光吸收光谱技术： 波长扫描、光源线宽（10-5~10-8 cm-1
第一节 基本吸收光谱技术
SF6分子的3带高分辨 红外吸收光谱，分 辨率3X10-5 cm-1
相对灵敏度随气孔直径与气孔间 距比变化
d/=
10 9 0.93 0.9 0.87 0.84 0.75 7
Modified PCF
relative sensitivity r (%)
8
0.69 Lucent's PCF
6 5 4 3 2 1 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7