基于激光的超精密气体测量技术真相究竟是什么？

激光气体分析可实现高灵敏度和选择性的气体检测。该检测方法的多组分能力和宽动态范围有助于分析浓度范围较宽的气体混合物。由于该方法不需要样品制备或预浓缩，因此易于在实验室或工业中采用。

气体分析对于确定含有目标气体混合物的大气或环境中已知气体的浓度至关重要。它广泛用于研究、开发和工业。可以使用气体分析技术分析的气体大致分为脏气体和清洁气体。

环境污染物和毒素，包括工业烟囱排放物、柴油发动机废气和废水处理场的生物甲烷，被归类为肮脏气体。气体分析有助于检测这些气体的浓度。

由于对可再生能源气体的研究日益关注，气体分析技术被广泛应用于分析废水和垃圾填埋场厌氧消化产生的硫化氢或生物甲烷的浓度。

相比之下，液化空气和林德等气体供应公司排放的超纯气体可以被认为是清洁的。超纯气体有多种应用，其中一些包括用作分析仪的校准参考和工业过程的原料。

基于激光的气体传感器测量气体吸收的光，当其频率或波长与气体的分子共振重叠时，受比尔-朗伯定律的约束。基于吸收的气体分析面临的主要挑战是信号电平较低。因此，信噪比水平不足会妨碍气体水平的准确量化。

为此，Beer-Lambert定律有助于推导出一种提高光学传感系统灵敏度的可能方法。有两种可能的方法可以做到这一点 - 通过增加吸收截面或增加相互作用长度。前者是通过选择具有更强分子跃迁的光谱区域来实现的，而后者是使用多通池完成的。

尽管质谱法和常规光学和气相色谱法等分析技术在检测环境和大气痕量气体方面效果很好，但基于激光的气体分析一直具有优势，尤其是在工业应用中。

激光气体分析是传统分析技术的一种经济高效的替代方案，这要归功于最新的二极管和光纤激光技术。基于激光的气体分析用于空气和水质监测、癌症检测、大气化学、工业、交通和农村排放、爆炸物检测、医疗应用、国家安全、植被遥感和艺术品表征。

基于激光的气体光谱是痕量气体检测的可靠工具，应用于近红外和中红外光谱区域，具有高选择性和灵敏度，采集时间短。此外，基于红外区域的光学系统集成了热电冷却探测器和其他半导体源，例如带间级联激光器、激光二极管或量子级联激光器，能够以最少的维护实现现场操作。

常用的激光和基于激光的痕量气体检测技术包括：

半导体激光器： 这种类型的激光器体积小，可靠性高。然而，由于缺乏用于特定波长的高质量、高功率二极管，它们的工业应用受到阻碍。不同的波长使用不同的半导体材料。

例如，铅盐用于 3-30 μm 的光谱区域，锑化物用于超过 1.8 μm 的波长，砷化镓和磷化铟用于可见光到近红外波长。虽然铅盐激光器对空气中的痕量气体检测是有效的，但它们不适合常规的工业应用，因为它们需要低温冷却。

二极管激光光谱： 它使用比尔定律来确定吸收光谱仪装置中的气体浓度，该装置由辐射源、检测器和封闭的吸收池组成。二极管激光光谱法是一种极具吸引力的检测痕量气体的方法，因为它的仪器简单，并允许电子实现所需的调制。

带有长路径吸收池的可调谐二极管激光吸收光谱可实现高灵敏度的局部测量。它在监测大多数在低压下具有可分辨红外线光谱的大气痕量物质方面特别有效。

二极管激光器集成波长调制光谱可产生基于物质浓度的信号并降低激光噪声。这种复杂的方法需要对激光波长进行调制，并使用计算机控制的信号平均器检测信号。

在环境温度下工作的近红外二极管激光器针对较弱的泛音和组合波段，而在低温下工作的中红外激光器则覆盖了用于超敏感气体研究的基本吸收波段。

发布在《光学与激光工程》上的一项研究提出了一种高灵敏度的动态分析技术，以实现变压器油中溶解痕量气体的实时在线监测。这里使用的技术基于低噪声差分光声单元。

溶解在油中的特征气体使用顶空脱气分离并泵入DPAC。使用掺铒光纤放大器放大发射的激光，并在DPAC中反射，形成双通激发增强。

结果表明，消声器和差分检测方法均能将顶空脱气过程中的噪音降低80%以上。系统对溶解在变压器油中的乙炔的检出限为0.1 μL/L。本研究为溶解气体分析提供了技术方案，具有检测精度高、响应时间快等优点。

另一篇发布在《传感器和执行器B：化学》上的文章报道了使用中红外光纤耦合激光吸收传感器同时原位检测氨和一氧化氮，适用于选择性催化还原废气的烟气监测。

2个量子级联激光器在1103.45 cm−1处探测到氨和一氧化氮的最佳吸收谱线和 1929.03cm−1分别。将两个 QCL 耦合到一根空心光纤上，并输送到一个开路单端光学探头进行原位气体检测。

通过一系列实验评估了传感器在不同温度和1个大气压恒定压力下的性能。一氧化氮和氨的平均时间最低检出限分别为30 ppb和14 ppb。此外，氨和一氧化氮检测的不确定度小于5%。