多谱智库 | 关于TDLAS技术开发
多谱智库 |
关于TDLAS技术开发
一
当今社会，气体检测技术已逐渐应用到了煤炭、冶金、电力等工业生产行业以及医疗、环保等社会领域，成为了工业、农业、环保业可持续发展的重要保障。 随着理论研究的不断深入，各行各业对于气体检测技术也提出了更多更高的要求。常见的气体检测技术在操作流程、环境适用性、快速检测能力、在线分析能力、气体探测精度、远程遥感控制等方面存在着一定缺陷，已经不能适应快速发展的趋势。可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，作为一种高灵敏度和高分辨率的气体检测技术，近年来在气体检测领域得到了广泛的应用和关注。多谱光学在该领域内深耕多年，本文旨在综述TDLAS技术在气体检测领域的研究现状，并展望其未来的发展趋势。
二
由于气体分子在红外波段具有光谱吸收特性，并且不同的成分具有不同的吸收中心峰，这样，通过红外光谱吸收法检测气体，不仅可以测量气体的浓度，还可以通过气体独有的“吸收光谱指纹”，判断气体的成分。TDLAS 的基本原理是：可调谐二极管激光器在注入电流的快速驱动下，出射波长快速变化的窄带激光。随着注入电流的周期性变化，出射激光波长也在一个窄的范围周期变化，辅助温度调制特性将激光出射波长调移到气体分子的特征吸收谱线范围，得到完整的吸收谱线。利用吸收线线形、线宽及强度等参数便可推算出被测气体的性质或浓度信息。
一般的TDLAS系统由激光器、激光器控制器、气池红外探测器、谐波锁相放大器和上位机及测量软件组成，如下图所示。
图 3TDLAS系统组成
下面我们将从激光器、激光驱动温控、红外探测器、气池以及TDLAS谐波锁相等方面进行详细阐述。
三
激光器是TDLAS技术的核心部件，其性能直接影响到气体检测的灵敏度和准确性。目前，常用的激光器主要有DFB激光器、ICL激光器和QCL激光器等。这些激光器具有窄线宽、高功率和快速调谐等优点，能够满足TDLAS技术对光源的严格要求。未来，随着激光器技术的不断发展，其性能将进一步提升，为气体检测提供更加准确和可靠的数据。
图 4多谱光学研制的TDLAS激光器（DFB，ICL，QCL全系列）
四
激光驱动温控是确保激光器稳定工作的重要环节。激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。在实用化的器件中，都装有用于温度控制的半导体致冷器（TEC）和热敏电阻对激光器温度进行控制。因此，激光器要能稳定工作需要在控制结温的同时给激光器提供波动系数很小的、具有很高的电流稳定性的电流。通过精确控制激光器的温度，可以实现激光波长的稳定输出，从而提高气体检测的精度和稳定性。目前，常用的激光驱动温控方法包括PID控制、模糊控制等。未来，随着温度控制技术的不断进步，激光驱动温控将更加精确和可靠，为TDLAS技术的广泛应用提供有力保障。
图 5多谱光学研发的高精度激光器控制器，全面兼容各种TDLAS常用激光器（DFB、ICL、QCL、…）
五
在TDLAS技术中，光电探测器是核心部件之一。当特定的激光波长通过待测气体后，光会被气体分子吸收，透射光的光强会减弱。这部分透射光随后被光电探测器接收，并将其转换为电信号。电信号随后经过放大和处理，提取出与气体浓度相关的信息。光电探测器在TDLAS技术中起着至关重要的作用，它的性能直接影响到测量的准确性和精度。一般来说，高性能的光电探测器应具备高灵敏度、低噪声、快速响应等特性，以确保能够准确地检测出微弱的透射光信号，并快速地将其转换为电信号。未来，随着红外探测器技术的不断发展，其性能将进一步提升，为气体检测提供更加精确和灵敏的探测手段。
图 6多谱光学研发的低噪声双级TEC制冷高灵敏度红外探测器，波长范围覆盖1~12um
六
气池是TDLAS技术中进行气体检测的重要装置，用于容纳待测气体并提供稳定的气体环境。气池的材料和窗口必须对激光波长具有高透过率，以减少光损失和背景吸收。窗口材料通常是光学玻璃或晶体，它们在激光波长范围内具有高光学质量。池内部的光路设计应确保激光光束以最佳的方式通过气体。这包括选择合适的光束直径、光程长度（即激光在气体中传播的距离）以及可能的多次反射路径，以增加光与气体的相互作用时间。目前，研究者们通过优化气池的结构、材料和气体流动方式等，提高了气体检测的灵敏度和稳定性。未来，随着气池技术的不断进步，将有望实现更高精度、更低检测限的气体检测。
多谱光学的工程师成功研发了利用先进光学腔技术研发了各种TDLAS气池，比如空芯光纤波导增强腔、MPC发射腔、环形增强腔等。
图 7多谱光学研发的各种长光程气池,光程长度可实现一百米以上
七
谐波检测的基本原理是通过频率调制（如正弦调制），使其“扫描”待测特征信号，并用调制频率或调制频率的倍频信号作为参考信号，通过锁相放大技术，产生强度正比于待测气体浓度的谐波信号，从而实现浓度检测。谐波检测的理论基础是傅里叶变换，待测气体的吸收特性可以通过一定的数学模型来描述，例如Lorentz，Guassian及Voigt线型。当气体的吸收系数已知时，就可以通过数学表达式分析获得气体浓度。
TDLAS谐波2f锁相技术是一种提高气体检测灵敏度和抗干扰能力的有效方法。通过利用二次谐波信号进行锁相检测，可以消除背景噪声的干扰，提高气体浓度的测量精度。目前，该技术已经在多个领域得到了成功应用，如环境监测、工业过程控制等。未来，随着锁相技术的不断优化和改进，TDLAS谐波2f锁相技术将在气体检测领域发挥更加重要的作用。
软件测量算法用于实现2f谐波测量。其功能模块构成如图所示：
图 8多谱光学谐波提取算法实现
八
随着TDLAS技术的不断发展和完善，其在气体检测领域的应用前景将更加广阔。未来，我们可以期待TDLAS技术在以下几个方面取得进一步突破：一是提高检测灵敏度和准确性，实现更低检测限的气体检测；二是拓展应用领域，将TDLAS技术应用于更多领域的气体检测；三是优化系统结构和性能，提高TDLAS系统的稳定性和可靠性；四是与其他技术相结合，形成多技术融合的气体检测系统，提高气体检测的全面性和准确性。
总之，TDLAS技术作为一种高效、准确的气体检测技术，在气体检测领域具有广阔的应用前景。通过不断优化和完善相关技术和设备，我们有信心将TDLAS技术推向更高的水平，为气体检测领域的发展做出更大的贡献。
多谱光学长期从事TDLAS相关产品与应用研发，期待与各位开发者建立合作交流。
