第32卷，第5期 2012年5月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 32,No. 5- pp1251-1254
May,2012
基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术
用于痕量甲烷气体检测
谭松12，刘万峰"，王利军1，张锦川"，李路"，刘俊岐"，刘峰奇"，王占国
100083
1、中国科学院半导体研究所，半导体材料科学重点实验室，北京 2，华大学物理系，北京100084
要由于工业监控和环境检测的需要，甲烷气体检测日益得到人们的关注，研充了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术，并应用于痕量甲烷的检测，自主研发的DFB-QCL室温工作时的激射波长在7.6μm附近，覆盖了甲烷的特征吸收谱线1316.83cm""，待测甲烷气体充人亥姆猫效光声谐探腔中，DFB-QCL的工作频率为234Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80mW。中红外光经过甲烷吸收后，产生的声波信号经麦克风检测，由锁相放大器对信号进行采集并输人计算机进行处理。按信比为1计算，得到甲烷的探测极限为189nmol·mol-1，
关键词甲烷；分布反馈；量子级联激光器；光声光谱法；痕量气体检测
中图分类号：0657.3
引言
文献标识码：A
DOl; 10, 3964/j. issn. 1000-0593(2012)05-1251-04
以利用气体的特征吸收谱线对其进行精确分析，从面排除其他气体对测量结果的干扰，因此，研制和开发基于中红外 DFB-QCL的光声光谱技术有着重要的意义。本文介绍了光
甲烧整一种易燃易爆危险气体，是矿山开采、工业领域中爆炸事故的罪魁祸首。一般认为，甲烷容易煤炸的浓度范围为5%～15%)，另外，甲烷也是温室效应最主要的气体之一，甲烷吸收红外线的能力是二氧化碳的15～30倍，占整个温室效应责献量的16%)。
由于工业监控和环境检测的需要，国内外对甲烷检测的研究非常重视[3"]，文献[7]讨论了甲烷气体检测的几种技术方法及研究现状，热导体催化法适用于便携式甲烷检测仪，其测量原理有着较为成熟的工程应用背景；红外吸收法适用于煤矿生产中瓦斯的远程检测以及分布式多点监测的场合，采用不同的检测方法将得到不同的操测极限，利用可调请二板管激光吸收光谱技术并采用怀特池结构的多次反射池来增加光程，兼风患等用1.65μm的近红外光源实现了甲烷气体的灵敏检测，检测下限120nmol·mol-1，
中红外激光光源覆董了大景气体的基频吸收带，非常适合于痕量气体的高炎敏检测。其中具有高输出功率、单模、窄线宽、宽调谱范围、室温工作的分布反馈景子级联激光器(DFB-QCL)更起高灵敏旅量气体检测的理想光源(+1)，它可
收稿日期：2011-11-03，修订日期：2012-02-24
声光谱法的工作原理，并在国内首次报道了基于波长7.6 μmDFB-QCL的光声光谱技术应用于甲烷气体痕量检测，在未使用长光程多次反射范的情况下，得到了189nmol， mol-"的甲烷探测极限。
光声光谱检测甲烷原理
1.1
甲烷吸收光谱特点
光声光谱法检测甲烷技术是利用甲烷气体的红外吸收光
谱作为检测机制，在甲烷CH的吸收谱线中找出合适的吸收峰。CH分子具有4个固有的摄动，相应的4个基频全部处于中红外波段，在近红外区，有许多泛频带和组合频带。图1给出了甲烷气体在近红外和中红外区的吸收强度比较。可以看出，甲烷对波长7.66μm的中红外光的吸收强度比近红外的1.65μm强约两个数量级(]
光声光谱法基本原理 1.2
光声光谱（photoacousticspectroscopy，PAS)是基于光声效应的一种光谱技术，它测量的是光能被气体样品吸收后转
基金项目：图家白热科学基金重点项目（60736031)和何家（863计划）项月（2007AA03Z446，2009AA03Z403）资助
e-mail, ts870222@semi. ac. ct
作奢简介：课松，1987年生，中国科学院半导体研究所和清华大学物理系联合培养博士研究生
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