基于用于大动态范围气体传感的激光矢量光谱技术

激光吸收光谱（LAS）技术由于具有高定量性和操作直接的优势而成为目前最为广泛使用的激光光谱气体检测技术。作为最重要的性能指标之一，气体传感的动态范围在诸如大海拔跨度大气成分分析、标准气体检定、燃烧效率精准监控等气体浓度变化范围大（可跨越5个数量级以上）的应用场景中尤其受到关注。然而，LAS技术需要从基线中提取吸收信息，难以平衡痕量气体检测时的弱吸收和高浓度气体检测时的过度吸收，导致其动态范围通常被限制在3~4个数量级。因此，有效扩展LAS气体传感技术的动态范围以满足更多实际应用需求具有重要意义。

导读

根据比尔-朗伯定律的基本原理，扩展LAS动态范围的直接方法通常只有两种：选择不同强度的气体吸收线和改变吸收光程。近期，哈尔滨工业大学董永康教授团队提出了一种新型的融合吸收光谱和色散光谱的大动态范围气体传感技术——激光矢量光谱技术（LaVS）。该技术采用调频连续波（FMCW）干涉系统同时获取目标气体的吸收光谱和色散光谱信息，并充分利用前者在低浓度区的高灵敏度特性和后者在高浓度区的高线性度优势。在乙炔气体测量的验证性实验中，实现了6x107的超大线性动态范围，超越所有其它LAS技术一个数量级以上。相关成果以“Gas sensing with 7-decade dynamic range by laser vector spectroscopy combining absorption and dispersion”为题在 Photonic Research 期刊上发表。该论文的作者为哈尔滨工业大学硕士研究生王玥、徐宁，娄秀涛教授和董永康教授。

创新研究

LaVS技术原理

LaVS技术原理如图1所示。在FMCW干涉仪结构的探测路中放置一个内部具有多个弱反射点的多通池以实施光程复用技术。痕量气体传感方法和传统的LAS技术类似，利用气池整体光程长度进行测量。通过FMCW干涉法，可以获得气池内部不同反射位置对应的不同光程的矢量光谱信息，用于分析非痕量浓度的气体：对于较低浓度气体，选用具有相对高信噪比的吸收光谱进行分析（浓度越低，选择的光程则越长，反之亦然）；对于强吸收导致光谱拟合困难的高浓度气体，选用在较高光学厚度下仍具有线性响应的色散光谱进行分析。

图1LaVS技术原理示意图

图源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651 (Fig.1）

LaVS实验装置

LaVS系统的实验装置如图2所示，包括Mach-Zehnder主干涉结构以及Michelson辅助干涉结构。在主干涉结构探测路的多通池（基长为18 cm，内部反射232次）内充入待测乙炔气体。采用线宽为60 kHz的外腔半导体激光器（SANTEC，TSL-770），扫描覆盖乙炔1521nm附近的R7线。辅助干涉路产生的拍频信号通过PD1接收，用来通过希尔伯特变换矫正激光调频的非线性；FMCW拍频信号由平衡探测器接收；通过多通池后的透射光经过衰减后被探测器PD2接收。

图2LaVS实验装置

图源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.2）

同时获取吸收和色散光谱的流程

图3以8440 ppm乙炔气体检测为例展示了LaVS同时获取不同吸收光程下吸收光谱和色散光谱的数据处理过程。可以清楚的看到，吸收光谱在长光程情况下其中心部分触顶，这使得光谱分析变得困难。相比之下，即便是在较高光学厚度区域，色散光谱信号幅值随着吸收光程的增加而线性增长。因此，可期待利用色散光谱有效扩展探测上限。

图3同时获取多通池内8440 ppm乙炔的吸收光谱和色散光谱的数据处理流程。（a）采集到的原始拍频信号；（b）对（a）中所示拍频信号的傅里叶变换结果；（c）对（b）中所示的三个反射峰（#5，#11，#17）进行傅里叶逆变换获取的吸收和色散光谱。

图源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.3）

吸收和色散光谱的测量结果

为验证LaVS技术的大动态范围传感能力，实验测量了跨越6个数量级以上的7种不同浓度的乙炔（1.2 ppm至99.3%）。图4展示了FMCW干涉信号反演的浓度在100 ppm以上的5种乙炔样品气体的吸收和色散光谱。对于102 ppm和1090 ppm的低浓度气体，选用高信噪比的吸收光谱进行分析；对于高浓度的8440 ppm、9.3%和99.3%气体，选用高线性度的色散光谱分析。对于1.2 ppm和8 ppm的痕量气体，利用多通池的透射光获得高信噪比的吸收光谱（未展示）。对1.2 ppm乙炔的连续测量数据进行Allan方差分析，表明在24 s最佳平均时间处可获得的最低探测浓度为0.016 ppm。

图4不同浓度乙炔在不同光程下的吸收和色散光谱。（a-b）对于102 ppm和1090 ppm的低浓度气体，吸收光程分别为19.389 m和3.949 m；(c-e)对于8440 ppm，9.3%和99.3%的高浓度气体，吸收光程分别为6.103 m、1.064 m和0.359 m。每个光谱通过20次结果平均获得。

图源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.4）

动态范围评估

图5展示了乙炔气体测量浓度和理论值的对比结果。线性拟合的R2大于0.9999，表明系统具有近乎完美的线性响应。传感的动态范围由探测下限和探测上限共同决定。根据0.016 ppm的探测下限和99.3%的探测上限评估，当前LaVS系统的线性动态范围为，该指标比目前所有已报道的LAS技术大一个数量级以上。

图5 乙炔测量浓度与预估浓度的对比图

应用与展望

我们提出并实验验证了一种新颖的用于大动态范围气体传感的激光矢量光谱技术，该技术有效融合了吸收光谱的高灵敏特性和色散光谱的高线性度优势，实现了7个数量级的大动态范围。由于吸收和色散间固有的定量联系，激光矢量光谱具有和激光吸收光谱相同的准确定量能力。所提出的激光矢量光谱技术同样能够结合其他辅助办法，例如气体稀释、使用组合气池、选取不同强度的吸收线等，来进一步拓展动态范围，使得更具挑战性的气体传感应用成为可能。由于在强吸收情况下具有良好的性能表现，可以预期激光矢量光谱技术有望进一步拓展至液体传感应用领域。

主要作者

董永康，论文通讯作者，哈尔滨工业大学航天学院教授/博士生导师，教育部国家级高层次人才，哈尔滨工业大学航天学院副院长，集成威廉希尔官方网站 科学与工程学科负责人，可调谐激光技术国家级重点实验室常务副主任，中国光学工程学会理事，国际著名期刊Optics Letters编委，Photonic Sensors编委，《激光与光电子学进展》编委。从事光纤与激光传感器基础研究、技术研发和工程应用，取得多项创新性研究成果。在国际权威期刊发表论文110余篇，爱思唯尔高被引学者。

娄秀涛，论文第一作者，哈尔滨工业大学物理学院教授/博士生导师，哈尔滨工业大学物理实验教研中心主任，黑龙江省物理学会理事，第一/二/三届全国光学与光学工程博士生学术联赛东北赛区组委会秘书长。在国际期刊发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利13项。

        审核编辑：彭菁