可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是近年发展起来的一种激光光谱气体检测技术，相比于常见的电化学、离子导电陶瓷等技术，其具有选择性强、灵敏度高、响应快、可在线测量、抗背景光谱干扰能力强等优点，适用于复杂环境中气体的长期在线检测。氧气（O2）是人类生存环境中的重要气体，氧气浓度的检测在生产生活各个领域应用广泛、意义重大。
据麦姆斯咨询报道，近期，哈尔滨工业大学马欲飞教授团队利用TDLAS技术，实现了对空气中氧气浓度的高灵敏度测量。这项研究根据直接测量法计算得到空气中氧气浓度，并采用波长调制法进一步提高系统的灵敏度，最终得到ppm量级的检测极限，可满足多个领域的应用需求。相关研究成果已发表于《中国光学》期刊。
TDLAS技术主要分为直接吸收光谱技术（Direct Absorption，DA）和波长调制光谱技术（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）。直接吸收光谱技术通过测量光谱吸收率信号，常用于气体浓度的反演。其工作原理为通过改变激光器的工作温度和电流，控制其输出波长范围，从而获得一段有完整吸收峰的吸收谱线。在此基础上，通过计算吸光度曲线在频域上的积分值，结合气体浓度计算式可直接得到气体浓度。
在这项研究中，为了提高TDLAS检测系统的信号强度，研究人员对氧气吸收线进行了优化选择。根据光谱传感谱线选择原则：实验中所选激光谱线应具有较强的吸收强度；在谱线附近只存在氧气吸收线，不存在其他气体干扰；该谱线应在市面上可获得的激光光源输出波段内。实验所用激光器为半导体激光器，该激光器输出功率最大可达18 mW，可以稳定输出波长为760 nm左右的单模高斯光束。
TDLAS测量系统结构示意图
利用直接吸收光谱技术，研究人员测出气压为99.5 kPa、温度为291 K实验环境中的氧气浓度为20.56 %，最小检测极限为5.53 × 10⁻³。由于半导体激光器具有线宽窄、频率调制快等优点，可以通过注入电流进行波长调制。在波长调制方法中，研究人员优化了激光波长调制深度，得到了完整的二次谐波波形，用于标定氧气浓度。通过计算得到该TDLAS传感系统信噪比为380.74，测量氧气浓度的最小检测极限为540 × 10⁻⁶。验证了这项研究提出的传感系统具有良好的氧气检测能力，可广泛用于各个领域中的氧气浓度检测。
291 K温度下空气中氧气的吸收光谱图
TDLAS系统信号幅值随调制深度的变化关系
TDLAS 2f信号与噪声
总之，这项研究利用TDLAS技术，实现了对空气中氧气浓度的高灵敏度测量。通过优化选择氧气吸收线，利用直接测量法获得氧气吸光度曲线，计算得到空气中的氧气浓度，并用波长调制法优化了调制深度，最终获得了ppm量级的优异检测极限。该传感系统将在多个领域发挥重要价值。
论文信息：DOI: 10.37188/CO.2022-0029
（来源：MEMS）
