半導體激光光譜吸收技術基本原理
半導體激光光譜吸收技術（diode laser absorption spectroscopy,DLAS）最早于20世紀70年代提出。初期的DLAS技術只是一種實驗室研究用技術，隨著半導體激光技術在20世紀80年代的迅速發(fā)展，DLAS技術開始被推廣應用于大氣研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和航空航天等領域。特別是20世紀90年代以來，基于DLAS技術的現(xiàn)場在線分析儀表已逐漸發(fā)展成為熟，與非色散紅外、電化學、色譜等傳統(tǒng)工業(yè)過程分析儀表相比，具有可以實現(xiàn)現(xiàn)場原位測量、無需采樣和預處理系統(tǒng)、測量準確、響應迅速、維護工作量小等顯著優(yōu)勢，在工業(yè)過程分析和污染源監(jiān)測領域發(fā)揮著越來越重要的作用。
1.朗伯-比爾定律
     DLAS技術本質上是一種光譜吸收技術，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統(tǒng)紅外光譜吸收技術的不同之處在于，半導體激光光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術是一種高分辨率的光譜吸收技術，半導體激光穿過被測氣體的光強衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律表述
 
 式中，IV,0 和IV 分別表示頻率V的激光入射時和經過壓力P，濃度X和光程L的氣體后的光強；S（T）表示氣體吸收譜線的強度；線性函數(shù)g(v-v0)表征該吸收譜線的形狀。通常情況下氣體的吸收較小，可用式（4-2）來近似表達氣體的吸收。這些關系式表明氣體濃度越高，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對激光的衰減來測量氣體的濃度。
2.光譜線的線強
氣體分子的吸收總是和分子內部從低能態(tài)到高能態(tài)的能級躍遷相聯(lián)系的。線強S（T）反映了躍遷過程中受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射之間強度的凈效果，是吸收光譜譜線最基本的屬性，由能級間躍遷概率經及處于上下能級的分子數(shù)目決定。分子在不同能級之間的分布受溫度的影響，因此光譜線的線強也與溫度相關。如果知道參考線強S（T0），其他溫度下的線強可以由下式求出
 
 式中，Q（T）為分子的配分函數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；En
為下能級能量。各種氣體的吸收譜線的線強S（T0）可以查閱相關的光譜數(shù)據(jù)庫。

二、測量技術和特點
1.調制光譜檢測技術
      調制光譜檢測技術是一種被最廣泛應用的可以獲得較高檢測靈敏度的DLAS技術。它通過快速調制激光頻率使其掃過被測氣體吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測技術測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析氣體的吸收情況。調制類方案有外調制和內調制兩種，外調制方案通過在半導體激光器外使用電光調制器等來實現(xiàn)激光頻率的調制，內調制方案則通過直接改變半導體激光器的注入工作電流來實現(xiàn)激光頻率的調制。由于使用的方便性，內調制方案得到更為廣泛的應用，下面簡單描述其測量原理。
在激光頻率 掃描過氣體吸收譜線的同時，以一較高頻率正弦調制激光工作電流來調制激光頻率，瞬時激光頻率 可表示為
 
  式中， （t）表示激光頻率的低頻掃描；a是正弦調制產生的頻率變化幅度；w為正弦調制頻率。透射光強可以被表達為下述Fourier級數(shù)的形式。
                  
 令 等于 ，則可按下式獲得n階Fourier諧波分量
    
 諧波分量 可以使用相敏探測器（PSD）來檢測。調制光譜技術通過高頻調制來顯著降低激光光器噪聲（1/f噪聲）對測量的影響，同時可以通過給PSD設置較大的時間常數(shù)來獲得很窄帶寬的帶通濾波器，從而有效壓縮噪聲帶寬。因此，調制光譜技術可以獲得較好的檢測靈敏度。
3.技術特點和優(yōu)勢
（1）不受背景氣體的影響
   傳統(tǒng)非色散紅外光譜吸收技術采用的光源譜帶很寬，其譜寬范圍內除了被測氣體的吸收譜線外，還有很多基他背景氣體的吸收譜線。因此，光原發(fā)出的光除了被待測氣體的多條吸收譜線吸收外還被一些背景氣體的吸收譜線吸收，從而導致測量的不準確性。
   而半導體激光吸收光譜技術中使用的半導體激光的譜寬小于0.0001nm，為上述紅外光源譜寬的1/106，遠小于被測氣體一條吸收譜線的譜寬。DLAS氣體濃度分析儀首先選擇被測氣體位于待定頻率的某一吸收譜線，通過調制激光器的工作電流使激光波長掃描過該吸收譜線，從而獲得如圖3所示的“單線吸收光譜”數(shù)據(jù)。
   在選擇該吸收譜線時，就保證在所選吸收譜線頻率附近約10倍譜線寬度范圍內無測量環(huán)境中背景氣體組分的吸收譜線，從而避免這些背景氣體組分對被測氣體的交叉吸收干擾，保證測量的準確性（例如圖3中位于6408cm-1  頻率處的CO吸收譜線附近無H2O吸收譜線，從而測理環(huán)境中水分不會對CO的測量產生干擾）。  
（2）不受粉塵與視窗污染的影響
    氣體的濃度由透射光強的二次諧波信號與直流信號的比值來決定。當激光傳輸光路中的粉塵或視窗污染產生光強衰減時，兩信號會等比例下降，從而保持比值不變。因此過程氣體中的粉塵和視窗污染對于儀器的測量結果沒有影響。實驗結果表明即使粉塵和視窗污染導致光透過率下降到1%，儀器示值誤差仍