可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）检测技术
1 TDLAS （Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用电流和温度对激光器进行精准调谐控制，扫描待测气体分子的一条或几条吸收谱线，根据待测气体对入射光产生特征吸收前后激光光强变化的不同，反演待测气体浓度。
2 朗伯-比尔定律
朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）是分子吸收光谱学的基本定律。首先 Johann Heinrich Lambert 于 1760 年提出了介质对光的吸收能力与光在介质中的光路长度呈正比，随后August Beer于1852年研究发现，在介质中光对其的吸收与被测介质的浓度呈正比，二者的结合即朗伯-比尔定律。
图1 朗伯-比尔定律原理图
由朗伯-比尔定律可知，当一束频率为ν的单色激光与浓度为𝐶的待测其他产生特征吸收后，其入射光𝐼0(𝑣)与出射光强𝐼𝑡(𝑣)的关系如下式所示：
(1)
(2)
式中：𝜏(𝑡)为激光透光率；𝐼𝑡(𝑣)为投射光强；𝐼0(𝑣)为入射光强；𝑎(𝑣)为吸收系数；𝐶为待测气体浓度；𝐿为气体吸收光路上的长度。
根据公式(2)对浓度进行换算得到以下公式
(3)
其中P是大气压强；从（３）也可以看到气体浓度和吸收系数、压强、光程以及入射和出射光强度有关。待测气体确定后，可通过查询 HITRAN 数据库得知气体的吸收系数，再对入射光与出射光的光强进行数字化测量，可推算待测气体在光程内的浓度，利用该定理可实现对混合在空气中的其他气体进行选择性测量。
３直接吸收法
直接吸收光谱法（Direct absorption spectroscopy，DAS）是较为直接的测量待测气体浓度的方法，具有测量结构简单、不需要标准气体进行标定等特点。。测量原理图如图2所示，利用可调谐半导体激光器产生的光源波长与驱动电流呈正比的特点，将低频三角波或锯齿波通过激光控制器注入到激光器中，控制激光器发出特定波长的激光，激光经分束器后分成两路，一路经过标准具后进入光电探测器，一路则穿过含有待测气体的气室，最后利用计算机对两路信号处理分析得到气体浓度。
图２ 直接吸收测量原理图
４波长调制法
光谱调制技术一般分为频率调制光谱法（Frequency modulation spectroscopy，FMS）和波长调制光谱法（Wavelength modulation spectroscopy，WMS）。就调制频率而言，FMS 的调制频率极高，与谱线吸收线宽大致相当，通常在数百 MHz 量级；WMS 的调制频率远小于气体吸收谱线的线宽，一般在几十 kHz 到几 MHz。因此，FMS 技术应用于检测系统时，系统的低频噪声更容易被降低，且系统探测灵敏度比 WMS 高，但是对激光器和探测器的性能较高，成本较大，因此在工业污染气体检测、大气痕量等实际应用场合相对较少。WMS技术应用于检测系统时，成本相对较低，相较于直接吸收检测技术而言，有着较高的信噪比和测量精度。因此，TDLAS 技术结合WMS 技术在气体检测领域发展较快，被广泛应用。这两种气体检测技术存在很多相同地方，也存在诸多不同的地方。
表１直接吸收法，波长与频率两种调制技术对比示意表
波长调制方法是在直接吸收方法的基础上进行改进而来的，基于 WMS 技术，首先需要对激光器的低频锯齿波调制一个高频的正弦波，将周期的高频正弦波信号与低频三角波或锯齿波相结合，将其叠加后的信号转化为电流注入到激光器中驱动激光器，然后将出射光穿过充满待测气体的气室，通过光电探测器接收该信号后，再使用锁相放大器提取谐波信号。
图3 调制信号
经低频扫描信号与高频调制信号共同作用后，激光器输出频率变为：
(4)
式中，
式由低频扫描信号产生的瞬时频率；f为高频正弦信号的频率；n为频率调频的调制系数；
为激光器的中心频率；t为时间。
同时激光器的幅值也被调制，幅值调制后的光强为
(6)
式中，
为频率调制后激光器输出的光强强度，
为光源输出光强，m 为光强调制系数。调制后的波形如下图所示。
图4 a为锯齿波形；b为高频正弦波；c为调制叠加后的波形
光光束经过气室吸收后结合 Lambert-Beer 定律，可得光强
为
(7)
将(6)代入(7)式中
（8)
代入(4)式
（9)
指数函数展开
（10)
代入10式
（11)
代入11式
（12)
最后一项为高频项，滤波后
（13)
5 分子吸收
由分子吸收光谱特性可知，光谱粒子的碰撞展宽影响因素较大，因此可以通过洛伦兹线型模拟气体的吸收谱线，其线型函数如下
（14)
为气体吸收截面，
为吸收峰中心频率，
为吸收半宽，将（14)带入到（13)可以得到
（15)
当光源的中心频率和气体吸收峰中心频率相等时，则
（16)
（17)
式子中一次项为m强度调制，即是光的幅值调制项。第二项为二次项为与气体吸收浓度C相关项，C决定了二次项信号谐波的幅值，因此就可以通过测试二次项信号谐波的幅值来表征待测气体的浓度值。
