一、原理描述

TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）它是利用激光器波長調(diào)制通過被測氣體的特征吸收區(qū)，在二極管激光器與長光程吸收池相結(jié)合的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的新的氣體檢測方法。
TDLAS技術(shù)采用的半導(dǎo)體激光光源的光譜，寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬，得到單線吸收光譜，因此TDLAS技術(shù)是一種高分辨率吸收光譜技術(shù)。
一氧化二氮：又稱笑氣，是一種無機(jī)物，化學(xué)式N2O，是一種危險化學(xué)品，呈無色有甜味氣體，是一種氧化劑，在一定條件下能支持燃燒，但在室溫下穩(wěn)定，有輕微麻醉作用，并能致人發(fā)笑。笑氣進(jìn)入血液后會導(dǎo)致人體缺氧，長期吸食可能引起高血壓、暈厥，甚至心臟病發(fā)作。此外，長期接觸此類氣體還可引起貧血以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害等。

二、理論基礎(chǔ)

1、比爾-朗伯定律 一束激光穿過濃度為C的被測氣體時，當(dāng)激光器的波長和被測氣體某個吸收譜線中心頻率相同時，氣體分子會吸收光子而躍遷到高能級，表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減。
2、波長調(diào)制光譜技術(shù) A) 激光器的調(diào)諧特性 DFB激光器由于具有良好的單色性，窄線寬特性和頻率調(diào)諧特性，DFB激光器能夠很好的避免其他背景氣體的交叉干擾，使檢測系統(tǒng)具有較好的測量精度，因此被廣泛的用于氣體檢測。 B) 諧波檢測理論 通過對激光器的驅(qū)動電壓加高頻正弦電壓信號，從而改變電流，使輸出頻率也按正弦規(guī)律變化。通過給激光器驅(qū)動加鋸齒波電壓，使其輸出波長在氣體吸收峰兩側(cè)掃描，利用鎖相放大器調(diào)制并解調(diào)出諧波信號，進(jìn)行氣體濃度的測量。
3、吸收譜線選取的原則 在進(jìn)行氣體檢測時，對吸收譜線的選取非常關(guān)鍵，應(yīng)考慮以下幾個方面： （1）氣體在選定的譜線處要有較強(qiáng)的吸收峰； （2）譜線波長對應(yīng)的激光器光源技術(shù)要相對成熟； （3）在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾，或吸收相對較弱，可以忽略。

三、實驗儀器

1、4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器

4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器是上海筱曉光子開發(fā)的可調(diào)諧連續(xù)光激光器，波長調(diào)諧范圍可達(dá)30nm，準(zhǔn)直輸出功率高達(dá)180mW，能夠滿足氣體傳感分析測試、中紅外測試光源等條件。臺式DFB-QCL激光器模塊內(nèi)部集成了數(shù)字激光驅(qū)動、可調(diào)增益放大器、1f/2f數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元，并可通過軟件控制調(diào)諧激光器的溫度和工作電流。我們的激光器準(zhǔn)直輸出功率穩(wěn)定，波長穩(wěn)定性好，是中紅外高功率優(yōu)秀測試光源。

 光譜圖 

 波長調(diào)諧曲線 

2、2-15um碲鎘汞（MCT）中紅外光電探測器，帶放大，帶TEC

MCT-15-4TE放大探測器是一種熱電冷卻光電導(dǎo)HgCdTe(碲鎘汞，MCT)探測器。這種材料對2.0到15 μm的中紅外光譜波段光波敏感。半導(dǎo)體制冷片(TEC)采用一個熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30 °C，從而將熱變化對輸出信號的影響Min化。為了獲得好的效果，我們推薦將輸出電纜(不附帶)與一個50歐姆的終端連接。由于探測器是AC偶合的，因此它需要一個脈沖或斬波輸入信號。交流耦合探測器不會看到未斬波的直流信號，因為它們只對強(qiáng)度變化而不是強(qiáng)度的jue對值敏感。

3、中紅外5米光程簡波寬帶氣室   

LD-PD簡波寬帶氣室主要針對紅外傅里葉等光譜技術(shù)應(yīng)用。氣室結(jié)構(gòu)采用簡波氣室結(jié)構(gòu)，探測光為中遠(yuǎn)紅外非相干光源，針對高溫和耐腐蝕需要，以方便被測氣體的測量，開發(fā)了主體和光學(xué)組件均采用經(jīng)過防腐蝕處理的特殊金屬材料，可以在濕熱腐蝕氣體條件下長期穩(wěn)定可靠工作，對包括SO2、NOx、VOCS、NH3、O2、CO、CO2、HCL、H2O等主要氣體成分做精確的測量和分析，在包括主要大氣污染物監(jiān)測、燃燒煤煙氣排放監(jiān)控、垃圾焚燒排放監(jiān)控、化工園區(qū)污染物監(jiān)測以及工業(yè)在線控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

四、實驗測試

本次實驗使用4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯(lián)激光器結(jié)合MCT中紅外光電探測器測試中紅外5米光程簡波寬帶氣室中的N2O氣體（1000ppm）。

 系統(tǒng)示意圖 

操作步驟：

1、 安裝4.56um QCL激光器，準(zhǔn)直輸出到中紅外5米光程簡波寬帶氣室；  

 2、 中紅外5米光程簡波寬帶氣室另一端放置MCT探測器；

3、 將MCT探測器BNC輸出端接到4.56um QCL激光器的PREAMP前置放大端；

4、 用一根SMA-BNC線連接示波器和4.56um QCL激光器的DACOUT模擬輸出端；

5、 用一根SMA-BNC線連接示波器和4.56um QCL激光器的TRIG OUT觸發(fā)端；

6、 打開激光器和探測器；

7、 調(diào)節(jié)軟件參數(shù)，在示波器上觀察二次諧波信號波形、幅值等信息。

過程分析：

利用電腦端的控制軟件調(diào)節(jié)電流和溫度的大小對波長進(jìn)行調(diào)諧，使激光器實現(xiàn)一定波長范圍的掃描，使輸出波長覆蓋氣體的吸收峰，鎖相放大器提供高頻正弦調(diào)制信號，使激光器輸出頻率得到正弦調(diào)制，激光器發(fā)出的光經(jīng)過氣體吸收池，通過探測器進(jìn)入PREAMP端前置放大電路，再經(jīng)過鎖相放大器調(diào)制解調(diào)，通過DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2，顯示二次諧波的信號。整個過程中，我們通過調(diào)節(jié)軟件中的各項參數(shù)，同時觀察輸出波形，使輸出波形優(yōu)。

五、實驗結(jié)果

1、二次諧波波形及調(diào)制參數(shù)如下：

 二次諧波 

 軟件參數(shù)設(shè)置 

2、驗證分析：

通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫得到在波數(shù)為2188.8cm-1到2189.8cm-1范圍內(nèi)的吸收譜線如下：