TDLAS之气体吸收谱线解析——筱晓光子小科普③

TDLAS之系统噪声解析

TDLAS介绍

TDLAS即可调谐半导体激光器吸收光谱技术。它是利用半导体激光器波长可调谐，窄的线宽(线宽<10MHz)等特点，通过对吸收气体分子的吸收谱线的检测，实现对气体的各个参量的检测。TDLAS具有灵敏度高，稳定性好，探测精度高等优点，通过与长光程吸收技术结合，实现高灵敏度的检测。

二，吸收光谱概述

电磁波谱是将电磁波按频率的高低进行排序得到的，而光谱是电磁波谱中的一个特殊波段，分为紫外光，可见光，红外光等波段。基于气体分子对光子的选择吸收性，我们可以将吸收光谱用于气体浓度的检测，

分子内部存在着三种运动:价电子的运动;原子之间的相对运动一一振动;分子作为一个整体的转动。不同的波段分子的主要运动形式不同，远红外波段主要是分子的转动光谱区，中红外到近红外主要是振动光谱区，从可见光到紫外波段主要是外层电子跃迁谱区，

从量子的角度，我们知道:物质分子具有一系列分立的运动状态，各运动状态对应的能量值不同。各能级由于能量的不同，分处于低能级和高能级。分子只有从外界吸收能量，才能实现从低能态能级到高能态能级的跃迁。但并不是任何能量都能被物质分子吸收，只有当入射光子的能量等于两分立能级的能量差时，物质分子才会发生跃迁。

由于不同的气体分子其内部结构不同，分子发生跃迁需要能量不同，当辐射光子的能量hv等于两跃迁能问距差时，分子发生跃迁，吸收光子，一种分子仅对特定频率的光子有吸收。

AE=hv=h(c/r)

式中，h为普朗克常量，c是真空中光速，r是光波长，v为频率。

一束光通过气体以后，由于气体分子的吸收作用，光强会衰减，吸收光谱技术就是通过检测光束通过气体介质前后的强度变化情况来对介质的组分，各组分的浓度信息进行检测。

三，比尔-朗怕定律

一束强度已知的光，通过充满某种气体的介质前后光强的变化，可以由比尔-朗伯定律给出，它是研究激光吸收光谱技术最核心的埋论基础。

常用的表达形式:

mL-PL.x.S(T)-dv)

其中，1为克通过介周后的出时光强，为入财光强。Lem)为吸表路径总长度(在介质中的总光程)，为气体吸收系败，它与气体压强P(um)..气体的摩尔分数(卺度)X。气体分子的吸收情线强度S(T)(e-/tm)、气体在一定频串v处的段收线型函数gi)(m)有美。

经过变形，从而可以得到气休浓度X的表达式:

n

X:P-L-S(T)-g(v)

通过检测光束通过吸收介质前后的光强值，就可以间接推导出气体的浓度。

四，吸收谱线的线型

线型函数是描述分子能级跃迁产生的吸收谱线形状的分布函数，它是以跃迁处的频率为中心而分布的图形。在吸收线中心达到最大，称之为线强，而谱线的半高全宽度，称为线宽。是TDLAS测量中的重要参数。

由分了光谱理论可知，以频率为横坐标，频率相对值为纵坐标，吸收谱线理想情况下，应该是一条没有宽度的几何线，即对于确定的气体来说，一条谱线对应特定的频率。实际中，由于物质本身特征及实验条件的影响，吸收谱线常常是一条有宽度的线，即出现了谱线的展宽。谱线宽度示意图如下所示:

造成线宽出现不同的原因有很多，有温度，压力，分子密度等。起主导作用的因素不同时，产生的线宽不同，用来描述吸收谱线的线性函数就不同。根据谱线展宽形成的原因，可以将谱线展宽分为自然展宽，多普勒展宽和碰撞展宽三类。

其中，由热力作用引起的多普勒展宽，由分子碰撞作用引起的碰撞展宽是谱线展宽的主要因索，自然展宽影响相对较小，可忽略不计。下面将作详细介绍:

(1)Gaussian线型

对于平衡状态下的气体，被测分子的随机热运动遵循麦克斯韦-玻尔效曼分布。由分子热运动所导致的多普勒频移即多普勒展宽可由高斯线型描述，

式中，An,为战重，

可表示为:

其中，k为玻尔效曼常量，T为气体温度，c为光速m为分子质盘，M为摩尔分子质量。

(2) Lorentzian线型

当气体压强增大，组分分子之间的碰撞频率加快，进而导致分子吸收线展宽。在高压情况下，碰撞加宽的影响相较于多普勒加宽更为明显，高斯线型不再适用，而采用Lorentzian线型描述更为合适。

Ar

其中，线宽av,为:

0N:=2PZx,y

其中。P为总压力，工为碰摘气体成分的摩尔分子数，V为由磁掩气体晚分j扰动引起的碰准展究则数，y可以酒过查询HITRAN数据席得到