可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是近年發(fā)展起來的一種激光光譜氣體檢測技術，相比于常見的電化學、離子導電陶瓷等技術，其具有選擇性強、靈敏度高、響應快、可在線測量、抗背景光譜干擾能力強等優(yōu)點，適用于復雜環(huán)境中氣體的長期在線檢測。氧氣（O2）是人類生存環(huán)境中的重要氣體，氧氣濃度的檢測在生產(chǎn)生活各個領域應用廣泛、意義重大。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，哈爾濱工業(yè)大學馬欲飛教授團隊利用TDLAS技術，實現(xiàn)了對空氣中氧氣濃度的高靈敏度測量。這項研究根據(jù)直接測量法計算得到空氣中氧氣濃度，并采用波長調(diào)制法進一步提高系統(tǒng)的靈敏度，最終得到ppm量級的檢測極限，可滿足多個領域的應用需求。相關研究成果已發(fā)表于《中國光學》期刊。

TDLAS技術主要分為直接吸收光譜技術（Direct Absorption，DA）和波長調(diào)制光譜技術（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）。直接吸收光譜技術通過測量光譜吸收率信號，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，控制其輸出波長范圍，從而獲得一段有完整吸收峰的吸收譜線。在此基礎上，通過計算吸光度曲線在頻域上的積分值，結合氣體濃度計算式可直接得到氣體濃度。

在這項研究中，為了提高TDLAS檢測系統(tǒng)的信號強度，研究人員對氧氣吸收線進行了優(yōu)化選擇。根據(jù)光譜傳感譜線選擇原則：實驗中所選激光譜線應具有較強的吸收強度；在譜線附近只存在氧氣吸收線，不存在其他氣體干擾；該譜線應在市面上可獲得的激光光源輸出波段內(nèi)。實驗所用激光器為半導體激光器，該激光器輸出功率最大可達18 mW，可以穩(wěn)定輸出波長為760 nm左右的單模高斯光束。

TDLAS測量系統(tǒng)結構示意圖

利用直接吸收光譜技術，研究人員測出氣壓為99.5 kPa、溫度為291 K實驗環(huán)境中的氧氣濃度為20.56 %，最小檢測極限為5.53 × 10?³。由于半導體激光器具有線寬窄、頻率調(diào)制快等優(yōu)點，可以通過注入電流進行波長調(diào)制。在波長調(diào)制方法中，研究人員優(yōu)化了激光波長調(diào)制深度，得到了完整的二次諧波波形，用于標定氧氣濃度。通過計算得到該TDLAS傳感系統(tǒng)信噪比為380.74，測量氧氣濃度的最小檢測極限為540 × 10??。驗證了這項研究提出的傳感系統(tǒng)具有良好的氧氣檢測能力，可廣泛用于各個領域中的氧氣濃度檢測。

291 K溫度下空氣中氧氣的吸收光譜圖

TDLAS系統(tǒng)信號幅值隨調(diào)制深度的變化關系

TDLAS 2f信號與噪聲

總之，這項研究利用TDLAS技術，實現(xiàn)了對空氣中氧氣濃度的高靈敏度測量。通過優(yōu)化選擇氧氣吸收線，利用直接測量法獲得氧氣吸光度曲線，計算得到空氣中的氧氣濃度，并用波長調(diào)制法優(yōu)化了調(diào)制深度，最終獲得了ppm量級的優(yōu)異檢測極限。該傳感系統(tǒng)將在多個領域發(fā)揮重要價值。

論文信息：DOI: 10.37188/CO.2022-0029

（來源：MEMS）