中红外激光器在环境监测方面的应用（一）

一、应用背景

      在大气监测、工业控制以及环保方面，准确测量痕量气体分子的浓度非常重要。因为具备无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量的优势，基于激光的探测技术在近些年得到了广泛关注。尤其是半导体激光器以其具有的低噪声水平、易于调制等优点，被广泛应用于大气痕量气体的监测中。然而，通常的半导体激光器所能覆盖的波长范围大多位于可见和近红外波段。气体分子在这些波段的吸收通常是由它们的泛频跃迁引起的，相应的分子吸收线强度要比位于中红外的基频吸收带线强度低几个量级。因此，中红外光谱区域以其具有众多的分子基频吸收带而逐渐成为关注的焦点。

      大量气体分子的基带吸收线都集中在中红外波段，吸收强度较近红外波段相比要强2~3倍，且主要为分子的振转光谱区，谱线非常密集。这使得中红外相干光源在微量气体探测领域有着广泛的民用价值：如油田开采，天然气管道泄漏探测，煤矿中甲烷气体探测等。在环境监测方面，中红外光光源主要用于大气中有机污染的监测。图1 给出了 2.9μm-16.7μm中远红外波段的常见分子指纹光谱。从图中可以看到由于氨气（NH₃）、甲烷（CH₄）、乙烷（C2H6）、一氧化二氮（N2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）等的吸收谱都处在中红外波段（2~5μm），因此利用中红外激光与气体分子之间的相互作用，可实现高灵敏度的痕量污染气体的测量。

图1  2.9μm-16.7μm中远红外波段的常见分子指纹光谱

二、大气探测方法

      随着测量技术的进步，气体检测技术不断发展更新。常见的气体检测方法有电化学检测法、催化燃烧法、色谱分析法、红外光谱吸收法等，不同的检测方法有着不同的特点。

      电化学检测方法是通过电极之间的电势差来检测待测气体，其缺点是精度有限、操作复杂。催化燃烧检测法是利用强催化剂让待测气体在敏感元件的表面燃烧产生热，使得敏感元件的温度升高，从而实现待测气体检测。该检测方法适用于浓度较高的气体检测，在较低浓度的气体检测应用领域受到了限制。色谱分析检测法是根据不同的物理性质，对物质中各组分进行选择性分配，最终达到分离的目的。色谱分析法虽然检测精度相对较高，但检测过程繁琐、费用较高、很难进行实时在线监测。

      红外光谱吸收法又称为红外气体检测技术，是指利用气体分子的红外吸收光谱通过测量其对特定波长光的吸收来对其进行浓度检测的技术，既可以定量的分析被检测气体的浓度，还可以定性的分析混合气体中的相关气体成分。其基本理论依据是朗伯-比尔定律：特定波长的激光通过待测气体后，激光强度的衰减量与待测气体浓度和有效吸收路径有关。与前面提到的其他气体探测方法相比，红外吸收光谱法无需对目标样品进行取样和预处理，具有较高的时间分辨率，高灵敏度、无需接触检测、超快响应速度、实时在线检测、操作简单、较好的敏感物种特异性检测能力等优点，可实现实时、在线、原位测量，因此成为痕量气体检测的最常用方法。目前，广泛应用于检测气体浓度的红外光谱技术有如下几种：衰荡腔光谱技术（又称激光光腔衰荡吸收光谱技术）、直接吸收光谱技术、光纤消逝波技术、光声光谱技术以及波长调制光谱技术。

表1   常用的红外光谱技术