由于工业发展、 人口增加、 森林砍伐等原因, 空气中有毒有害气体的含量不断上升, 时刻危害人类的生命健康, 有毒有害的痕量气体检测就显得尤为重要^[1]。 采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术进行痕量气体检测具有实时监测、 测量精度高、 系统响应速度快、 工作稳定等特点, 对于有毒有害的痕量气体检测来说, TDLAS是一种最安全和最有潜力的检测手段^{[2, 3, 4]}。

为了获得更低的检测下限, 波长调制相结合的谐波检测技术(WMS)被广泛应用于TDLAS检测中^{[5, 6]}。 二次谐波与气体浓度成比例关系, 波峰与气体中心吸收谱线对应, 通常被选择作为检测信号进行分析^[7]。 在痕量气体检测过程中, 二次谐波会存在背景信号, 背景信号漂移对测量产生误差, 因此消除背景信号漂移可以进一步保证测量结果的精度和准确性。

目前国内外学者对背景信号漂移展开了大量研究^{[8, 9]}, 但仍未发现有人将半导体激光器管壳温度与背景信号漂移两者相联系而展开研究。

本文基于TDLAS原理, 分析了二次谐波背景信号的产生, 研究了背景信号的来源以及对测量结果产生的影响, 设计了一套高精度恒温控制系统, 在不同的半导体激光器管壳温度下, 对背景信号的影响进行了实验研究, 证明了对半导体激光器管壳的恒温控制可以抑制管壳温度变化带来的背景信号漂移, 从而提高检测精度和准确性。

比尔-兰伯特定律(Beer-Lambert law)描述了光的吸收程度与吸光物质浓度的函数关系, 如式(1)所示

It=I0exp[-α(ν)cL](1)

式(1)中, I_t为穿过待测气体后的透射光光强; I₀为进入待测气体时的入射光强; α (ν )为吸收系数, 该系数与气体的种类以及穿过该气体的光频率(波长)有关; c为待测气体的浓度。 L为光所经过的待测气体的吸收路径长度。

采用波长调制技术(WMS)进行痕量气体检测时, 对光源的驱动电流加上一个低频的小信号进行调制, 激光器的输出频率和光强都会被调制, 其表达式如下

ν=ν̅+asinωt(2)I0(t)=I0(1+ηsinωt)(3)

其中ω 为所加调制的角频率, ν̅为激光的中心频率, a为频率调制幅度, η 为由于频率调制造成的光强调制深度。

将式(2)和式(3)代入式(1)并对其做傅里叶展开, 可以得到其中ω 的一次谐波分量的强度I_f和二次谐波分量强度I_2f分别为

式(4)和式(5)是一次谐波和二次谐波分量的表达式^[10], 因为二次谐波幅值与待测气体浓度成正比, 常选用二次谐波峰值来表征气体浓度, 图1是不同浓度下二次谐波波形。

图1

Fig.1

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	图1 不同浓度下二次谐波信号Fig.1 Thesecond-harmonic curves in different concentrations

如图1所示, 气体浓度越高, 二次谐波峰值也越高。 在测量浓度时, 通常认为二次谐波的产生主要来自于气体吸收导致激光器PI曲线的非线性, 但除此之外, 检测系统的非线性、 光学器件以及测量环境的变化都会对二次谐波波形产生影响, 这部分因素引起的二次谐波变化称为背景信号, 理论上应该进行扣除才能得到准确的浓度结果。

而对于痕量气体检测时, 气体吸收很弱, 当气体浓度变化较小时, 无法看到标准的二次谐波线型, 需要通过将背景信号扣除才能够获得明显的二次谐波线型。 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 0~0.006% NO气体的二次谐波信号与扣除背景信号后的信号Fig.2 The original second-harmonic curves and the second-harmonic curves after background signal rejection

图2(a)表示0~0.006% NO气体的原始二次谐波信号, 其中选择浓度0%的二次谐波线型作为背景信号, 图2(b)表示的是扣除背景信号之后二次谐波信号, 扣除之后的二次谐波线型出现明显波峰, 以此计算气体浓度。

以上是考虑背景信号固定不变的情况, 但在实际检测过程中, 背景信号易受外界因素的影响产生漂移, 导致测量失准。 目前已经报道的影响背景信号的外界因素主要包括光学器件各界面之间的干涉、 系统的非线性等^{[11, 12, 13]}, 其中光学器件干涉所造成的背景信号影响可以通过对界面进行增透膜、 将各光纤接头进行熔接等方式, 减少界面干涉产生的影响; 检测系统的非线性可以通过在算法中加入非线性项进行补偿; 然而, 这些措施并不能完全消除背景信号的漂移, 通过对痕量气体检测中的数据分析, 我们发现半导体激光器管壳温度随环境温度变化, 也会引起背景信号漂移。 本文通过搭建恒温控制系统来控制半导体激光器管壳温度, 研究其对背景信号漂移产生的影响。

在TDLAS检测系统中加入了半导体恒温控制系统, 整个检测装置如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 TDLAS系统和恒温控制系统Fig.3 The structure diagram of TDLAS system and temperature controller system

选用波段为1 653和1 796 nm DFB半导体激光器, 输出最大功率为3 mW, 以检测CH₄和H₂O两种气体浓度。 通过ARM产生一个低频锯齿波和一个高频正弦波叠加的电流信号, 经由激光驱动电路进入半导体激光器, 调制后的激光束首先经过准直器射入通有待测气体的气室中, 衰减后的光信号再经由另一端光电探测器接收, 并将光信号转换为电信号, 最后通过电路模块将信号锁相放大, ARM对信号进行处理并通过串口发送至PC, 在PC端使用Labview软件观察待测气体的各次谐波波形, 此为搭建的TDLAS系统, 其主要部分在图3中黑色方框标注。

如图3所示, 在此基础上, 搭载DC-500半导体高精度恒温控制系统并外加水冷系统进行辅助控温, 控温精度达到± 0.1 ℃, 将半导体激光器置于控温台上, 通过DC-500实现对半导体激光器管壳温度的精确控制, 其主要部分在图3红色方框标注。

基于TDLAS原理解释了二次谐波背景信号的产生并分析了背景信号对测量结果产生的影响, 并结合实验发现了半导体激光器管壳温度的变化会使背景信号漂移, 对比了1 796和1 653 nm DFB半导体激光器在管壳温度变化的情况下二次谐波背景信号的漂移情况, 实验证明了:

(1) 半导体激光器管壳温度变化导致背景信号漂移, 气体吸收峰不漂移。

(2) 气体为痕量时, 背景信号漂移会显著影响二次谐波信号, 导致测量失准。

(3) 对半导体激光器管壳恒温控制, 能够消除背景信号漂移, 提高检测准确度。