半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)基本原理
半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)（diode laser absorption spectroscopy,DLAS）最早于20世紀(jì)70年代提出。初期的DLAS技術(shù)只是一種實(shí)驗(yàn)室研究用技術(shù)，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)在20世紀(jì)80年代的迅速發(fā)展，DLAS技術(shù)開始被推廣應(yīng)用于大氣研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和航空航天等領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)90年代以來，基于DLAS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)在線分析儀表已逐漸發(fā)展成為熟，與非色散紅外、電化學(xué)、色譜等傳統(tǒng)工業(yè)過程分析儀表相比，具有可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量、無需采樣和預(yù)處理系統(tǒng)、測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、維護(hù)工作量小等顯著優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)過程分析和污染源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
1.朗伯-比爾定律
     DLAS技術(shù)本質(zhì)上是一種光譜吸收技術(shù)，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統(tǒng)紅外光譜吸收技術(shù)的不同之處在于，半導(dǎo)體激光光譜寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術(shù)是一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)，半導(dǎo)體激光穿過被測(cè)氣體的光強(qiáng)衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律表述
 
 式中，IV,0 和IV 分別表示頻率V的激光入射時(shí)和經(jīng)過壓力P，濃度X和光程L的氣體后的光強(qiáng)；S（T）表示氣體吸收譜線的強(qiáng)度；線性函數(shù)g(v-v0)表征該吸收譜線的形狀。通常情況下氣體的吸收較小，可用式（4-2）來近似表達(dá)氣體的吸收。這些關(guān)系式表明氣體濃度越高，對(duì)光的衰減也越大。因此，可通過測(cè)量氣體對(duì)激光的衰減來測(cè)量氣體的濃度。
2.光譜線的線強(qiáng)
氣體分子的吸收總是和分子內(nèi)部從低能態(tài)到高能態(tài)的能級(jí)躍遷相聯(lián)系的。線強(qiáng)S（T）反映了躍遷過程中受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射之間強(qiáng)度的凈效果，是吸收光譜譜線最基本的屬性，由能級(jí)間躍遷概率經(jīng)及處于上下能級(jí)的分子數(shù)目決定。分子在不同能級(jí)之間的分布受溫度的影響，因此光譜線的線強(qiáng)也與溫度相關(guān)。如果知道參考線強(qiáng)S（T0），其他溫度下的線強(qiáng)可以由下式求出
 
 式中，Q（T）為分子的配分函數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；En
為下能級(jí)能量。各種氣體的吸收譜線的線強(qiáng)S（T0）可以查閱相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

二、測(cè)量技術(shù)和特點(diǎn)
1.調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)
      調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)是一種被最廣泛應(yīng)用的可以獲得較高檢測(cè)靈敏度的DLAS技術(shù)。它通過快速調(diào)制激光頻率使其掃過被測(cè)氣體吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測(cè)技術(shù)測(cè)量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析氣體的吸收情況。調(diào)制類方案有外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制兩種，外調(diào)制方案通過在半導(dǎo)體激光器外使用電光調(diào)制器等來實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)制，內(nèi)調(diào)制方案則通過直接改變半導(dǎo)體激光器的注入工作電流來實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)制。由于使用的方便性，內(nèi)調(diào)制方案得到更為廣泛的應(yīng)用，下面簡(jiǎn)單描述其測(cè)量原理。
在激光頻率 掃描過氣體吸收譜線的同時(shí)，以一較高頻率正弦調(diào)制激光工作電流來調(diào)制激光頻率，瞬時(shí)激光頻率 可表示為
 
  式中， （t）表示激光頻率的低頻掃描；a是正弦調(diào)制產(chǎn)生的頻率變化幅度；w為正弦調(diào)制頻率。透射光強(qiáng)可以被表達(dá)為下述Fourier級(jí)數(shù)的形式。
                  
 令 等于 ，則可按下式獲得n階Fourier諧波分量
    
 諧波分量 可以使用相敏探測(cè)器（PSD）來檢測(cè)。調(diào)制光譜技術(shù)通過高頻調(diào)制來顯著降低激光光器噪聲（1/f噪聲）對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)可以通過給PSD設(shè)置較大的時(shí)間常數(shù)來獲得很窄帶寬的帶通濾波器，從而有效壓縮噪聲帶寬。因此，調(diào)制光譜技術(shù)可以獲得較好的檢測(cè)靈敏度。
3.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
（1）不受背景氣體的影響
   傳統(tǒng)非色散紅外光譜吸收技術(shù)采用的光源譜帶很寬，其譜寬范圍內(nèi)除了被測(cè)氣體的吸收譜線外，還有很多基他背景氣體的吸收譜線。因此，光原發(fā)出的光除了被待測(cè)氣體的多條吸收譜線吸收外還被一些背景氣體的吸收譜線吸收，從而導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確性。
   而半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)中使用的半導(dǎo)體激光的譜寬小于0.0001nm，為上述紅外光源譜寬的1/106，遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體一條吸收譜線的譜寬。DLAS氣體濃度分析儀首先選擇被測(cè)氣體位于待定頻率的某一吸收譜線，通過調(diào)制激光器的工作電流使激光波長(zhǎng)掃描過該吸收譜線，從而獲得如圖3所示的“單線吸收光譜”數(shù)據(jù)。
   在選擇該吸收譜線時(shí)，就保證在所選吸收譜線頻率附近約10倍譜線寬度范圍內(nèi)無測(cè)量環(huán)境中背景氣體組分的吸收譜線，從而避免這些背景氣體組分對(duì)被測(cè)氣體的交叉吸收干擾，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性（例如圖3中位于6408cm-1  頻率處的CO吸收譜線附近無H2O吸收譜線，從而測(cè)理環(huán)境中水分不會(huì)對(duì)CO的測(cè)量產(chǎn)生干擾）。  
（2）不受粉塵與視窗污染的影響
    氣體的濃度由透射光強(qiáng)的二次諧波信號(hào)與直流信號(hào)的比值來決定。當(dāng)激光傳輸光路中的粉塵或視窗污染產(chǎn)生光強(qiáng)衰減時(shí)，兩信號(hào)會(huì)等比例下降，從而保持比值不變。因此過程氣體中的粉塵和視窗污染對(duì)于儀器的測(cè)量結(jié)果沒有影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使粉塵和視窗污染導(dǎo)致光透過率下降到1%，儀器示值誤差仍