激光吸收光谱

总第190期2020年第6期山西化工SHANXI CHEMICAL INDUSTRYTotal190No.6,2020堂桩导测述用DOI：10.16525/l4-1109/tq.2020.06.07激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选李梅秀1,邵欣八，王芳1,付作伟3(1.内蒙古阿拉善生态环境监测站，内蒙古阿拉善盟750306；2.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津300350；3.中创精仪(天津)科技有限公司，天津300301)摘要：激光吸收光谱(LAS)技术进行气体检测具有高选择性、高灵敏度、快速响应、可多组分多参量同时非接触测量等优势，被广泛用于环境监测、污染排放检测、工业过程控制等领域。

在应用LAS技术进行气体检测时，首要工作就是选择合适的目标谱线。

目前对谱线的筛选都是基于人工观察完成，费时费力，效率低下。

设计了一款自动化谱线筛选软件，对于给定波段范围，基于LAS检测原理和谱线筛选原贝9,结合测量的环境条件对HITRAN光谱数据库中的相关谱线数据进行分析，根据吸光度和谱线的线宽等对灵敏度和谱线干扰进行判断，最终输出筛选的目标谱线或测温谱线对。

该方法大大提高了谱线的筛选效率，可用于LAS气体检测之前目标谱线的自动化筛选，对于气体的浓度检测和温度测量具有重要意义。

关键词：激光吸收光谱，HITRAN光谱数据库，谱线筛选，气体检测中图分类号.0657.38文献标识码:A文章编号:1004-7050(2020)06-0018-05引言环境问题是21世纪全球共同关注的重点问题之一，环境监测技术和环境保护工作愈发受到重视。

我国的污染现状不容小视，大量的环境监测站应运而生，旨在对大气环境等的实时监测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，尽一切可能减轻污染带来的危害，这对污染控制、环境保护以及安全生产都有非常重要的意义。

激光吸收光谱(LAS)技术是一种先进的检测技术，其灵敏度高、实时性好(可达毫秒量级)，可以做到多组分、多参量的同时测量，并且在动态快速的同时兼具高选择性皿。

激光光谱学和原子吸收光谱学是两种非常重要的科学技术。

这两种技术在不同领域具有广泛的应用，其在物理学、化学、材料学、医学等领域都有重要的意义。

本文将深入探讨这两种光谱学的原理、应用以及未来的发展方向。

一、激光光谱学激光光谱学是利用激光的特殊性质进行光谱分析的技术，其中激光具有窄带宽、高强度和单色性等独特特性。

它可以通过与分子或原子相互作用来探测材料的结构和性质。

在实际应用中，激光光谱学可以用于生物医学、环境监测、矿物学、天文学以及材料科学等领域。

它可以被用来研究分子的振动态，从而了解不同化合物之间的不同。

其实，激光光谱学最重要的应用可能是医学。

它可以用于分析生物分子，如蛋白质、酶和核酸，以及它们与药物之间的相互作用。

这项技术在生物医学研究和诊断中具有非常关键的地位。

二、原子吸收光谱学原子吸收光谱学是一种分析技术，它利用原子在吸收光线时的行为对样品进行定量和定性分析。

这种技术广泛用于化学、环境和材料等领域，因为它可以精确地确定物质的成分并对其进行测量。

与激光光谱学不同，原子吸收光谱学是一种基于光开始左或右旋转方的原理来进行分析的技术，它使用的光量通常比激光光谱学要小得多。

在实际应用中，原子吸收光谱学可以用于矿物学、材料科学、环境科学、兽医学、生物化学和医学等领域。

它可以被用来分析样品中不同的化学元素，包括有毒元素和非常低浓度的元素。

实际上，原子吸收光谱学的应用和发展历史比激光光谱学更为深厚。

它一直被广泛应用于冶金、化学、制药、石油、农业和食品工业等领域。

三、两种技术的比较从上面的介绍可以看出，在原理和应用上有很多不同。

具有可以相互补充的部分。

激光光谱学通常用于分析分子振动态，而原子吸收光谱学则主要用于分子能级之间的跃迁和原子中某些原子核的跃迁。

两种技术都具有很高的选择性和灵敏度，而且可以用于测量样品中非常低的浓度。

尽管两种技术的应用领域有所重叠，但它们的重点和应用都是独立的，且十分宏大。

这既展望了激光光谱学、原子吸收光谱学在未来的可能的发展方向，也为不同领域的科学家提供了帮助和支持。

第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。

2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。

理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。

(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。

4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。

（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。

5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。

6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。

自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。

7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。

非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。

小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。

8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。

激光氧分析仪激光分析仪设备工艺原理仪器原理激光氧分析仪是一种基于激光吸收光谱原理的仪器。

它主要采用激光器发射特定波长的激光束，照射到待检测的气体中，在激光的作用下，气体分子或原子会吸收或发射某些特定波长的光，这种吸收和发射的特定光谱成为气体的光谱指纹特征。

基于这种特征，激光氧分析仪可定量检测氧气的分子或原子的浓度。

通过测量光束经过气体样品后的强光和弱光之间的差异，还可以测量氧气的密度和温度。

设备构成激光氧分析仪主要由以下部件组成：激光器激光器是激光氧分析仪中最重要的部件之一。

它主要产生能量密度高、波长单色性好、光束稳定、方向性好的激光束。

激光器的波长必须与气体分子或原子的特定吸收频率匹配，以便实现准确测量。

充气与净化系统充气与净化系统主要负责提供待检测气体和清洁的气氛环境。

在充气阶段，它将样品气体输送到激光氧分析仪的激光腔中。

在净化阶段，它将气体中的水分、氧气和杂质去除，以确保分析的准确性。

光学系统光学系统主要由透镜、反射镜、光传感器等组件构成，主要用于对激光束进行聚焦和分离。

透镜和反射镜可调整激光束的射出角度和聚焦深度，光传感器则用于检测光强度。

电子控制器电子控制器是激光氧分析仪的核心控制部件，主要用于控制激光器、光学系统和光传感器等部件的工作。

控制器还可接收传感器传回的数据，并进行数据处理和存储。

工艺原理激光氧分析仪主要用于工业生产中的氧气检测。

其工艺原理基于激光吸收光谱原理，可通过以下步骤实现：1.开启激光器，发射激光束。

2.待检测气体进入气体腔室，与激光束相互作用产生光谱。

3.光学系统将光强度信号转换为电信号，并将其发送给电子控制器。

4.电子控制器对信号进行处理和分析，计算气体浓度值并输出相应数据。

经测量发现，激光氧分析仪的检测精度高、测量速度快、安装方便，因此在工业领域得到了广泛的应用。

总结激光氧分析仪是一种基于激光吸收光谱原理的气体分析仪器。

其工作原理基于气体分子或原子对激光束的特定光谱吸收和发射现象。

TDLAS技术1 光谱学基本概念 (1)2 光谱的线型函数及谱线加宽 (2)3 甲烷的吸收谱线 (5)4 TDLAS技术原理 (5)6 基于TDLAS的气体检测 (8)可调谐激光二极管的分类及特性 (8)6.2残余调制光强对气体吸收光谱线型的影响 (10)1 光谱学基本概念光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用。

光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。

对光谱最早的研究是牛顿进行的色散实验，他通过玻璃棱镜把太阳光分解成从红光到紫光各种颜色的光谱。

其后夫琅和费也观察到了光谱线。

根据研究光谱方法的不同，把它分为发射光谱学、吸收光谱学和散射光谱学：发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。

线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。

吸收光谱的范围很广，大约从10纳米到1000微米。

在200纳米到800纳米的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收。

这些吸收有的是连续的，称为一般吸收光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光谱。

在散射光谱学中，喇曼光谱学是最为普遍的光谱学技术。

当光通过物质时，除了光的透射和吸收外，还观测到光的散射。

在散射光中除了包括原来入射光的频率外，还包括一些新的频率。

这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。

从喇曼光谱中可以得到分子振动能级与转动能级结构的知识。

根据光谱学的理论，每种原子都有其自身的一系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。

把氢原子光谱的最小能量定为最低能量，这个能态称为基态，相应的能级称为基能级。

当原子以某种方式从基态提升到较高的能态上时，原子的内部能量增加了，原子就会把这种多余的能量以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，反之就产生吸收光谱。

这种原子能态的变化不是连续的，而是量子性的，称之为原子能级之间的跃迁。