一文搞懂激光气体分析技术

利用激光进行气体检测分析有很多技术路线，主要包括直接吸收测量技术、波长调制技术、腔衰荡技术、激光诱导荧光技术、激光拉曼光谱技术、激光光声光谱技术等。这里主要讨论其中的前两项，这也是我们平常口中的激光气体分析技术，也就是可调谐激光吸收光谱技术，简称TDLAS。

基本原理

绝大部分气体都有光谱吸收，但由于气体的分子结构不同，有的气体吸收谱线多，有的气体吸收强度大，而且吸收波长也不一样。光谱法就成为一种广泛应用的气体检测方法。

TDLAS是利用光通过被测气体（如图所示），每种气体对特定波长的光存在吸收作用，气体浓度越大，吸收作用越强，通过测量被吸收后的光能进行气体浓度的计算。

激光气体分析核心部件

激光气体分析主要部件也包括光源、气室、检测器、控制检测电路等几个部分。

（1）激光光源

激光光源根据原理分主要有DFB、VCSEL、FP等几种；按照波长分为近红外和中远红外激光器；按照是否内置TEC分为内置TEC和无内置TEC两种；按照封装可分为TO封装和蝶形封装等。一般蝶形封装都内置了TEC和热敏电阻。

放光路一般用于实现原位安装式或者遥测式。

原位安装式一般用于管道、烟道等工况的在线监测，其最大优势就是系统不用预处理，响应速度快，但也取决于工况，并不是所有复杂工况都适用于原位安装。比如粉尘大、震动太强、管道细的场合就不适合原位安装。

遥测式主要用于可燃气泄漏、大气污染物监测等方面。主要优势是移动式监测；可对光通过空间内的被测气体进行测量。对寻找可燃气泄漏点、高空大气污染物等有一定优势。

流通池主要分为单管式、怀特池、赫里奥特池等常见结构，也有其他形式的各种谐振腔。流通池的主要优势是可以在较小的体积内实现很长的光程，如几米至几十至上百米。各种谐振腔甚至能实现数千米的光程，由于谐振腔的使用较为复杂，限制也较多，这里不做详细介绍。

单通道式是最简单的气室结构，简单稳定成本低是其最大优点。怀特池和赫里奥特都可以在较小的空间内实现较长的光程，一般可以实现几米到几十米的光程，更长的光程受反射镜反射效率、结构稳定性、条纹干涉等影响，实现难度大。

（3）检测器

检测器最常见的主要有硅光电池、铟镓砷光电二极管、锗光电二极管等，硅光电池主要在近红外区有较强响应，铟镓砷和光电二极管可在中红外有较强的响应。

激光气体分析产品实现的技术方案有很多种，需要根据具体目标进行设计，主要根据检测量程、背景气体、使用工况、成本等因素综合考虑。

目前，基于TDLAS技术的传感器可以用于测量甲烷、氨气、一氧化碳、一氧化氮、硫化氢、氧气等多种气体，可广泛用于石油、化工、冶金、电力、煤矿、矿山等工业领域的微量有毒有害气体检测；地下管廊、九小场所等商业领域的易燃易爆气体检测；以及家用甲烷检测等。

激光吸收光谱技术发展方兴未艾，随着光电子器件的发展以及应用领域的拓展，这一技术将向中远红外、低成本、集成化的方向发展，也将有更广阔的应用！