可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是近年發(fā)展起來的一種激光光譜氣體檢測(cè)技術(shù)，相比于常見的電化學(xué)、離子導(dǎo)電陶瓷等技術(shù)，其具有選擇性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)快、可在線測(cè)量、抗背景光譜干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜環(huán)境中氣體的長(zhǎng)期在線檢測(cè)。氧氣（O2）是人類生存環(huán)境中的重要?dú)怏w，氧氣濃度的檢測(cè)在生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、意義重大。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授團(tuán)隊(duì)利用TDLAS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中氧氣濃度的高靈敏度測(cè)量。這項(xiàng)研究根據(jù)直接測(cè)量法計(jì)算得到空氣中氧氣濃度，并采用波長(zhǎng)調(diào)制法進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度，最終得到ppm量級(jí)的檢測(cè)極限，可滿足多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國(guó)光學(xué)》期刊。

TDLAS技術(shù)主要分為直接吸收光譜技術(shù)（Direct Absorption，DA）和波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）。直接吸收光譜技術(shù)通過測(cè)量光譜吸收率信號(hào)，常用于氣體濃度的反演。其工作原理為通過改變激光器的工作溫度和電流，控制其輸出波長(zhǎng)范圍，從而獲得一段有完整吸收峰的吸收譜線。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算吸光度曲線在頻域上的積分值，結(jié)合氣體濃度計(jì)算式可直接得到氣體濃度。

在這項(xiàng)研究中，為了提高TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度，研究人員對(duì)氧氣吸收線進(jìn)行了優(yōu)化選擇。根據(jù)光譜傳感譜線選擇原則：實(shí)驗(yàn)中所選激光譜線應(yīng)具有較強(qiáng)的吸收強(qiáng)度；在譜線附近只存在氧氣吸收線，不存在其他氣體干擾；該譜線應(yīng)在市面上可獲得的激光光源輸出波段內(nèi)。實(shí)驗(yàn)所用激光器為半導(dǎo)體激光器，該激光器輸出功率最大可達(dá)18 mW，可以穩(wěn)定輸出波長(zhǎng)為760 nm左右的單模高斯光束。

TDLAS測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

利用直接吸收光譜技術(shù)，研究人員測(cè)出氣壓為99.5 kPa、溫度為291 K實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的氧氣濃度為20.56 %，最小檢測(cè)極限為5.53 × 10?³。由于半導(dǎo)體激光器具有線寬窄、頻率調(diào)制快等優(yōu)點(diǎn)，可以通過注入電流進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制。在波長(zhǎng)調(diào)制方法中，研究人員優(yōu)化了激光波長(zhǎng)調(diào)制深度，得到了完整的二次諧波波形，用于標(biāo)定氧氣濃度。通過計(jì)算得到該TDLAS傳感系統(tǒng)信噪比為380.74，測(cè)量氧氣濃度的最小檢測(cè)極限為540 × 10??。驗(yàn)證了這項(xiàng)研究提出的傳感系統(tǒng)具有良好的氧氣檢測(cè)能力，可廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域中的氧氣濃度檢測(cè)。

291 K溫度下空氣中氧氣的吸收光譜圖

TDLAS系統(tǒng)信號(hào)幅值隨調(diào)制深度的變化關(guān)系

TDLAS 2f信號(hào)與噪聲

總之，這項(xiàng)研究利用TDLAS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中氧氣濃度的高靈敏度測(cè)量。通過優(yōu)化選擇氧氣吸收線，利用直接測(cè)量法獲得氧氣吸光度曲線，計(jì)算得到空氣中的氧氣濃度，并用波長(zhǎng)調(diào)制法優(yōu)化了調(diào)制深度，最終獲得了ppm量級(jí)的優(yōu)異檢測(cè)極限。該傳感系統(tǒng)將在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要價(jià)值。

論文信息：DOI: 10.37188/CO.2022-0029

（來源：MEMS）