【《基于可调谐半导体激光器吸收光谱TDLAS技术检测痕量气体的基本原理概述》2000字】

基于可调谐半导体激光器吸收光谱TDLAS技术检测痕量气体的基本原理概述TDLAS技术是基于分子光谱吸收理论和比尔-郎伯定律，当分子吸收能量发生跃迁后，形成分子光谱，不同的分子吸收不同波段的能量进而产生不同的分子光谱。当特定波长的激光经过待测分子时，与待测分子吸收谱线相匹配的激光光强会发生衰减，并且吸收过程遵循比尔-郎伯定律。气体吸收谱线的展宽通常考虑温度和压强两种影响条件，当温度因素导致的谱线展宽占主导因素时，通常选择高斯线型；当压强因素导致的谱线展宽占主导因素时，通常选择洛伦兹线型；当综合考虑温度和压强两种因素时，通常选择福克脱线型。1.1红外吸收光谱理论分子是由内部的原子构成，分子在吸收光子后会发生跃迁，分子运动状态发生改变时形成分子光谱。通过研究分子光谱可以进一步反应分子能级结构，分子内部的运动总是十分复杂的，当分子吸收光子时，分子主要进行电子运动、原子振动以及分子转动[60]:(1.1)式中，分子内部能量包含分子跃迁能量、分子振动能量和分子转动。分子跃迁时，吸收或者释放的能量必须与这两个能级之间的能量差相等，这个能量之差，根据量子理论知识可以计算得：(1.2)式（1.2）中，为两个能级之间的能量之差，和分别为分子跃迁前和跃迁后的能量，光子的能级通常不是连续的，光子能级跃迁所需能量和光子频率之间的关系可以表示为：(1.3)式（1.3）中，为普朗克常量，为光子频率，为光速，为波长。当一定波长（满足1.3式）的光经过待测分子时，气体分子吸收光子能量从而发生跃迁，进而相应频率的光子会被消耗，在宏观上体现为此光强发生衰减，而其它波长的光经过此待测气体分子时，由于不满足（1.3）式，所以并不会导致分子的跃迁。因此也就不会导致光强的衰减，分子能级跃迁图如图1.6所示。图1.6分子能级跃迁图本实验选取1653.7nm这一甲烷特征吸收谱线作为研究对象进行基于TDLAS技术的气体测量实验和研究。随着科学技术的发展，近红外波段的半导体激光器的成本较低，且具有不错的性能。因此本论文选择了中心波长为1653.7nm，调谐范围为2MHz的可调谐半导体激光器来完成甲烷分子浓度的测量，最后基于TDLAS技术反演得到了具体的甲烷浓度。1.2比尔-郎伯定律光在气体中传播时遵循着比尔-郎伯定律，此定律最初由瑞士科学家郎伯根据光在液体中被吸收这一现象而提出。之后，德国科学家比尔在此基础上提出光在大气中传播时也具有相同的现象，因此该定律被成为比尔-郎伯定律[61-62]。当一束特定波长的光经过某种气体时，如果该气体的吸收光谱包含此波长，那么此波长的光在经过该气体后，会被气体吸收，光强发生衰减，而处于该气体吸收光谱之外的其它波长不会发生光强上的变化。当一束频率为的激光经过一定浓度的待测气体后，根据比尔-郎伯定律：(1.4)式（1.4）中，为经过待测气体后激光的光强，为未经过待测气体的激光初始光强，为待测气体的浓度，单位为ppm，为激光经过待测气体的有效光程，单位为m，为气体吸收线型，单位为ppm-1m-1，表达式如下：(1.5)其中，为分子吸收线强度，单位为cm-1(mol∙cm-2)-1，为单位体积下吸收气体的总粒子数，单位为mol∙cm-3∙atm-1，为归一化线型函数，单位为cm。其中归一化线型函数将在1.3小节详细介绍。1.3气体吸收谱线展宽机制激光经过待测气体后，通过探测器可以检测到激光光强的变化，但是激光光强的变化不仅和待测气体的浓度、有效光程有关，也和其吸收线型有关。通常，气体分子的吸收线型和其所处环境的温度和压强存在直接关系。根据不同的环境，对应选取的线型也有所不同，不同环境下的展宽机制也造就了不同的吸收线型[63]。自然展宽是分子内部的一种固有展宽机制，与外界环境无关。自然展宽的谱线宽度由分子内部的原子结构决定；多普勒展宽是分子热运动导致的光谱展宽，主要受温度的影响，且温度的剧烈变化会使得分子热运动加剧；碰撞展宽是分子之间的碰撞所导致的分子光谱展宽。压强是碰撞展宽的主要影响因素。由三种不同展宽所导致不同的吸收线型[64-68]，如下：（1）高斯（Gauss）线型当主要的谱线加宽机制是由分子热运动引起的多普勒展宽时，在高温条件下，式（1.5）中的归一化线型函数为Gauss函数，如下：(1.6)其中，，为Gauss展宽系数，为激光器的中心频率，单位为Hz，为待测气体所在的环境温度，单位为°C，为待测气体分子的分子量。通过式（1.6）可以得到，当主要的谱线加宽是由于分子运动造成时，温度是影响归一化吸收线型函数的主要因素。（2）洛伦兹（Lorenz）线型在高压条件下，式（1.5）中的归一化线型函数为Lorenz函数：(1.7)式（1.7）中，，为Lorenz展宽系数，其中为温度系数，为压强，为洛伦兹谱线线型的半高全宽（FullWidthatHalfMaxima,FWHM），通过式（1.7）可以得到当谱线加宽是由分子碰撞引起时，压强为归一化的线型函数的主要影响因素。（3）福克脱（Voigt）线型当压强处于两者之间时，此时存在两种展宽机制，这时通常使用Voigt函数来表示，Voigt函数为Gauss函数和Lorenz函数两者之间的卷积，表达式如（1.8）：