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2021-09

波长调制光谱(WMS)技术简介

Author:admin

       可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 即TDLAS)是一种红外吸收光谱分析技术,利用分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理,实现高分辨率的分子浓度定量分析技术。TDLAS能够进行原位非接触式测量,并且具有高精度、高选择性等特性,结合波长调制光谱(WMS)和锁相放大等抑制噪声的技术,可以实现ppm甚至ppb量级的痕量气体分子浓度测量。

       之前我们已经介绍过锁相放大的工作原理和其在TDLAS中的应用,今天小编就跟大家聊聊WMS背后的科学还有实际的应用方式吧!

 

TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律

       了解WMS技术之前,我们先简单复习一下TDLAS的原理:基本方法是通过调谐特定的半导体激光器波长,扫过被测气体分子的特定吸收光谱线,被气体吸收后的透射光由光电探测器接收,经锁相放大模块提取透射光谱的谐波分量,反演出待测气体浓度信息。

       为了确定与于目标分子浓度相关的吸收,必须将透射光强度I与入射光强度I0进行比较。这个定量分析的依据来自Beer-Lambert定律:

Beer-Lambert定律 

      其中L为光程,α(v) 是由入射光波长和样品中目标分子浓度同时决定的吸收系数。TDLAS技术通过使用Beer-Lambert定律分析吸收光谱的数据,便可以获得分子浓度信息。

TDLAS技术示意图

图一 TDLAS技术示意图


直接吸收光谱(DAS)

      接着,我们来看一下直观的直接吸收光谱(Direct Absorption Spectroscopy, DAS)技术。顾名思义,DAS技术通过检测入射光和透射光强度直接获得光吸收量(如图二),并根据两个信号的比例直接推断出气体特性,典型的DAS方法得到的信号如图三。

DAS示意图:调谐激光器波长扫过被测气体分子的特定吸收光谱线,在吸收峰可以直接看到的投射光强度衰减

图二 DAS示意图:调谐激光器波长扫过被测气体分子的特定吸收光谱线,在吸收峰可以直接看到的投射光强度衰减

直接吸收光谱(DAS)技术的典型透射光强度信号

图三 直接吸收光谱(DAS)技术的典型透射光强度信号

      图三也显示了DAS的潜在问题,其相对简易直接的性质使得DAS对许多噪声源敏感。各种高强度的噪声可能源于激光强度波动、激光波长波动(如果激光波长在吸收曲线内波动,也会导致透射光的强度波动)、探测器噪声、散粒噪声(光子噪声)和其他技术噪声。如果吸收谱线足够强,即吸收物质的浓度足够高、提供足够的信噪比 (SNR),则可以使用DAS进行准确测量。然而,检测低浓度的气体分子需要进一步减少接收信号的噪声,WMS就是一种在TDLAS技术中广为应用来抑制噪声的方法。

 

波长调制光谱(WMS)

      WMS能够改善DAS在信噪比较差的环境中的局限性。将入射激光的波长用一个相对较高频率的载波(通常约为10 kHz)进行调制(如图四),并且将吸收光谱信号以调制频率或该频率的谐波进行解调分析获取特异规律可循谐波波形,从而获取分子浓度信息。由于噪声的影响主要存在于低频例如二极管1/f噪声机械噪声WMS技术将吸收光谱的检测转移到到了信噪比较优的高频,以此达到抑制噪声的目的。

WMS示意图:调制入射激光的波长至较高频率,将接收端信号以调制频率的谐波进行解调分析

图四 WMS示意图:调制入射激光的波长至较高频率,将接收信号以调制频率的谐波进行解调分析

      WMS的实现是通过调制可调谐半导体激光器的注入电流,以达到对激光输出的波长和强度的高频调制,并将吸收信号移到了更高的频率。其中,TDLAS系统的线性响应(激光器的线性强度调谐)以调制频率的一次谐波为中心,系统的非线性响应(例如吸收和非线性强度调谐)则反应在调制频率的二次及更高次谐波,因此可以透过对高次谐波信号的分析来提取光谱吸收信息。一般来说,二次谐波分析足以满足大多数的气体分析要求。

      要提取并分析在已知载波频率的高频信号,锁相放大器是一个十分强大的工具。利用锁相放大器可以用来创建指定频率的带通滤波器,如果带宽足够窄,便能抑制宽带噪声,所以用于调制的频率必须避开主要的噪声频率。点击这里了解锁相放大器在TDLAS系统中的功用

      除此之外,WMS技术还提供了另外一种选择,能够通过频分复用的方法同时发射多个不同波长的激光。多个激光以不同的频率调制并收集在单个探测器上,谨慎选择的调制频率能够尽量避免谐波重叠拍频干扰,最终每个激光信号都可以由独立的锁相放大通道提取。利用昕虹光电数字电路实现的双通道锁相放大器,使得实现这样的一个多组分分子一体化探测系统变得经济而简单,实现对多个目标分子(如多种温室气体N2O,CH4,CO2等)同时进行测量。

 

参考文献:

1. “Absorption spectroscopy”,
http://www.atomic.physics.lu.se/fileadmin/atomfysik/Education/Elective_courses/FAF080_AtomoMolekylSpektr/Lab_absorption_spectroscopy_2017.pdf

2. Christopher Lyle Strand, 2014, ‘Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopy with Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities’, PhD thesis, Standford University, USA.


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