收稿日期:2008-12-01. 基金项目:国家“973”计划项目(2006CB604903;国家自然科学基金项目(60876034;中国科学院计划项目(KGCX2-YW -121-2.动态综述
基于半导体激光器的光声光谱气体检测及其进展 张晓钧1,2,张永刚1
(11中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室, 上海200050;21中国科学院研究生院,北京100039
摘 要: 介绍了半导体光声光谱气体检测的基本工作原理和相关技术,阐述了半导体激光光源特别是中红外半导体激光器的研究进展及其与光声光谱方法结合的应用现状,讨论了声信号的常用检测方法与改进方案,并展望了发展和应用的新方向。
关键词: 半导体激光器;光声光谱;中红外;量子级联激光器;谐振中图分类号:O433.54 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200903-0326-07
S emiconductor Laser B ased Photoacoustic Spectroscopy G as Detection Methods and Developm ents
ZHAN G Xiao 2jun 1,2,ZHAN G Y o ng 2gang 1
(1.State K ey Laboratory of Functional Materials for Inform atics ,Shanghai Institute of Microsystem and
I nformation T echnology ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai
200050,CHN;2.G radu ate School ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100039,CHN
Abstract : The operation principles of semico nductor laser based p hotoacoustic spectroscopy (PAS gas detection met hods and related technologies are reviewed.The develop ment s on semiconductor laser source especially t he mid 2inf rared
semiconductor laser for PAS are int roduced.The met hods and imp rovement s of acoustic signal detection are discussed ,and t he pro spect s of t he technique are predicted.
K ey w ords : semiconductor laser ;p hotoacoustic spect roscopy ;mid 2inf rared ;quant um cascade lasers ;resonance
0 引言
气候变暖、大气环境污染等问题日益被人们关注,痕量气体检测技术为了解其起因和过程提供了有效途径。通过测量痕量气体的浓度和随时间变化的情况以及它们的生成和分解速率,归纳总结它们的来源和演变规律,并预测发展趋势和后果,就可以为人们提供及时有效的各种控制方案。碳、氮、硫的氧化物以及臭氧、氨和一些有机物气体分子(如甲烷、乙烯、丙烯等是目前的主要关注对象。
由于人们对环保和健康的要求提高以及环境变
化的日趋复杂,传统的痕量气体检测方法已经很难适应各种新要求,因此迫切需要采用新方法和技术的高性能气体检测系统。随着半导体激光器特别是中红外激光器和高灵敏声信号探测技术的发展与应用,光声光谱技术正蓬勃发展,并表现出高灵敏度、高选择性和相对简单、可小型和微型化等特点,受到人们的重视,可望广泛应用于大气环境监测、医疗诊断等诸多领域。
1 历史回顾和基本原理
传统的气体光谱检测技术基于气体对特定波长光的吸收,服从Beer 2Lambert 定律,通过直接测量气体样品的吸收光谱和吸收强度来决定气体的种类和浓度。和常规的气体光谱技术不同,光声光谱方
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法基于气体的光声效应,属于测热学技术的一种,通过测量特定波长的调制光被气体样品吸收后转化成的热能产生的疏密波信号进行检测。
1880年,Bell 首先报道了光声效应[122];Viegerov 完善了光声技术并完成首次气体光声光
谱分析[3]。Kerr 和Atwood 利用激光光声检测方法获得气体分子的吸收光谱[4]。激光光谱的高亮度和锁相技术的改善能显著增强光声信号,这样也就能确定低浓度的空气污染物质。其基本原理及装置示意图如图1和图2所示
。
由图1可见,气体分子吸收特定波长调制光的光子跃迁到高能激发态,然后通过分子间碰撞以热的形式释放吸收到的能量,使气体受热并膨胀,从而产生疏密波(声波。由于调制光具有周期性,气体的温度也就发生周期性变化,从而致使压力也周期