基于免校准波长调制的多光程吸收光谱

引 言
基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （Ｕ１８１０１２９； Ｕ１６１０１１７；１１５０４２５６）；山西 省 高 等 学 校 优 秀 青 年 学 术 带 头 人 资 助 项 目 （２０１８）；山 西 省 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （２０１８０３Ｄ３１０７７；２０１８０３Ｄ１２１０９０）；有 机 地 球 化 学 国 家 重 点 实 验室开放基金课题资助项目（ＳＫＬＯＧ２０１７１８）；山西省“１３３１ 工程”重点创新团队建设计划资助项目（１３３１ＫＩＲＴ）
关键词：光谱学；可调谐半导体激光吸收光谱；免校准波长调制光谱；气体测量；乙炔（Ｃ２Ｈ２） 中图分类号：Ｏ４３３．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０１９０６０１２
Ｍｕｌｔｉｐａｓｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｂａｓｅｄｏｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
摘要：为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力，采用基于免校准波长调制技术 的多光程吸收光谱，以乙炔为测量目标，进行了理论分析和实验验证。结果表明，不同激光功率下得到的波长调制二次 谐波信号幅值发生明显变化，但通过免校准的方法得到的信号变化较小，且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰 影响较小；采用免校准方法实验得到的体积分数在 ５×１０－６～９×１０－５范围内的光谱信号拥有较好的线性度，相关系数达 ０．９９９７；采用 Ａｌｌａｎ方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达 １．２×１０－８。免校准波长调制光谱技术能较好地避免 光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰，从而提高系统稳定性和探测灵敏度。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ； ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ； ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｇａｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｃｅｔｙｌｅｎｅ（Ｃ２Ｈ２）
作者简介：邵 李 刚 （１９９４），男，硕 士 研 究 生，主 要 研 究 方 向为激光光谱及其应用。
通讯联系人。Ｅｍａｉｌ：ｃｌｌｉ＠ｔｙｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０１８１２２５；收到修改稿日期：２０１９０１２５
随着激光光谱技术的发展，可调谐半导体激光吸 收 光 谱 （ｔｕｎａｂｌｅｄｉｏｄｅｌａｓｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， ＴＤＬＡＳ）技术被广泛应用于工业过程控制、环境监测以 及生物医学等领域的痕量气体定量检测分析［１５］。但 传统的单光程直接吸收 ＴＤＬＡＳ技术灵敏度低，不能满 足实际应用中的要求，因此近年来多光程吸收池以及 波长 调 制 光 谱 （ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， ＷＭＳ）等技术被应用于 ＴＤＬＡＳ中来提高系统的探测 灵敏度［６８］。波长调制技术是在激光器扫描信号上叠 加高频正弦波调制信号，通过相敏检波实现对微弱信
第 ４３卷 第 ６期 ２０１９年 １１月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．来自百度文库 Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１９
文章编号：１００１３８０６（２０１９）０６０７９５０５
基于免校准波长调制的多光程吸收光谱
邵李刚，邱选兵，魏计林，李传亮
（太原科技大学 应用科学学院，太原 ０３００２４）
ＳＨＡＯＬｉｇａｎｇ，ＱＩＵＸｕａｎｂｉｎｇ，ＷＥＩＪｉｌｉｎ，ＬＩＣｈｕａｎｌｉａｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｍｍｕｎｉｔｙｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｔｏｌａｓｅｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｃｈａｎｇｅ ａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｐａｔｈａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｂａｓｅｄｏｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄ． Ｔａｋｉｎｇａｃｅｔｙｌｅｎｅａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔａｒｇｅｔ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｍｏｄｕｌａｔｅｄｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｉｇｎａｌｖａｒｉｅｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｐｏｗｅｒ．Ｂｕｔｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅｍｅｔｈｏｄｃｈａｎｇｅｓｌｉｔｔｌｅ．Ｉｔｉｓｌｅｓｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｅｘｔｅｒｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓｕｃｈａｓａｉｒｆｌｏｗ，ｐａｒｔｉａｌ ｓｈａｄｉｎｇａｎｄｓｙｓｔｅｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ５×１０－６ ～９×１０－５ ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅｍｅｔｈｏｄｈａｖｅｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓ０．９９９７．Ａｌｌａｎｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ ｃａｎｒｅａｃｈ１．２×１０－８．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｃａｎａｖｏｉｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｊｉｔｔｅｒ，ａｉｒｆｌｏｗａｎｄｓｙｓｔｅｍｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．