基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气浓度测量方法研究与应用

摘要：可调谐半导体激光吸收光谱技术用于气体浓度检测具有高灵敏度与强选择性及快速响应等优点，基于该技术开展氧气浓度测量研究，采用760纳米波长半导体激光器作为激发光源，建立直接吸收法及波长调制法两种测量方案。实验测得环境中氧气浓度为20.56%，最小检测极限达5.53×10-3，在波长调制方案中，通过调制深度优化获得完整二次谐波波形，显著提升检测灵敏度，系统信噪比达380.74，检测极限提高至540×10-6。研究成果表明该测量方法实现了氧气浓度高精度检测，满足工业生产与环境监测等领域应用需求。

关键词：可调谐半导体激光器；氧气浓度测量；直接吸收法；波长调制；高灵敏度检测

前言：

氧气作为大气主要成分，浓度检测在工业过程控制与环境监测及医疗健康等领域发挥重要作用。传统氧气检测方法存在选择性差与响应时间长及抗干扰能力弱等问题，难以满足实际应用需求，可调谐半导体激光吸收光谱技术凭借其独特优势，已成为气体检测领域研究重点。该技术利用激光波长精确调谐，实现目标气体吸收谱线扫描，达到定量分析目的，针对氧气浓度测量需求，开展测量系统构建与参数优化及检测灵敏度提升等研究工作，对推动该技术实际应用具有重要意义。

1 激光吸收光谱测氧原理

可调谐半导体激光吸收光谱技术通过改变激光器工作温度及电流实现波长调谐，对特定气体分子进行定量分析。基于Beer-Lambert定律，当激光穿过待测气体时，其强度发生变化，透射光强度与入射光强度比值的对数与气体浓度呈线性关系，在氧气浓度测量中，选用输出波长760纳米的半导体激光器作为光源，该波长恰好对应氧气分子跃迁吸收峰，且在此波段仅存在氧气吸收谱线而无其他气体干扰。通过控制激光器输出波长在吸收线两侧扫描，获得完整吸收光谱，结合气体压力与温度及吸收光程等参数，计算得到准确浓度值，该技术相较于传统电化学及离子导电陶瓷方法具有选择性强与响应快速及抗背景光谱干扰能力强等优势，适用于复杂环境中气体长期在线监测，波长调制技术的引入进一步提升了检测灵敏度，为实现高精度氧气浓度测量奠定理论基础。

2 氧气浓度测量方法研究

2.1 系统构建与参数优化

实验系统由半导体激光器与温度控制器以及光路系统与信号采集单元等组成，采用输出波长760纳米的半导体激光器作为光源，通过温度控制器将激光器工作温度稳定在35摄氏度，使激光波长覆盖氧气吸收谱线且输出功率达到18毫瓦。光路系统采用焦距50毫米的碳化钙透镜进行光束准直，确保激光在空气传输过程中保持良好的光束质量，信号发生器产生的低频锯齿波加载于激光控制器，用于控制激光器扫描电流范围为45至75毫安，实现对氧气吸收谱线的完整扫描。透射光信号由光电探测器接收后经示波器进行实时波形采集，为提高测量系统信噪比，对氧气吸收线进行优化选择，根据HITRAN数据库分析表明，13144.54倒厘米处的吸收线强度较大且无其他气体干扰，适合作为测量波段。系统参数优化过程中重点关注激光器温度稳定性与扫描电流范围设置以及光路系统准直精度，通过多次实验验证确定最佳工作参数。

2.2 直接吸收浓度测量法

直接吸收测量在99.5千帕气压与291开环境下进行，采用扫描波长直接吸收技术对氧气浓度进行定量分析，根据Beer-Lambert定律，气体浓度计算公式为：

（1）

其中A为吸光度曲线频域积分值，P为气体压强，S（T）为特征谱线线强，L为吸收光程。为提升测量精度，采用Savitzky-Golay滤波算法对原始信号进行降噪处理，选取五阶滤波，窗口长度为20点，在保证吸收峰形状不变条件下有效抑制背景噪声。实验获得三个波数分别为13144.5、13146.6与13148.1倒厘米的吸收峰，选取66至72毫安扫描电流区间对应的吸收峰进行分析，对透射光与入射光比值取对数后进行洛伦兹拟合，得到完整吸光度曲线，基于HITRAN数据库计算得到线强为7.458×10-24，结合50厘米吸收光程，实验测得空气中氧气浓度为20.56%，最小检测极限达到5.53×10-3。

2.3 波长调制灵敏度提升

针对半导体激光器线宽窄与频率调制快速等特点，引入波长调制技术进一步提升检测灵敏度，调制信号由高频正弦波叠加在低频锯齿波上构成，其中正弦波频率设为1千赫兹。波长调制过程中，激光波长在吸收线附近进行扫描调制，输出信号经过锁相放大器解调获得二次谐波信号，调制信号幅值与二次谐波信号峰值存在对应关系，表达式为：

（2）

其中k为系统系数，X为气体浓度，L为吸收光程。通过调制深度优化实验发现，当调制深度为1.92毫安时系统获得最大二次谐波信号，幅值达7.477毫伏，取二次谐波信号侧翼标准差作为噪声进行计算，系统信噪比提升至380.74，最小检测极限显著提高到540×10-6，验证了波长调制技术在提升氧气浓度检测灵敏度方面的有效性。

3 测量系统应用性评估

测量系统性能评估采用直接吸收法与波长调制法两种方案开展，主要对系统检测精度与稳定性及抗干扰能力等关键指标进行测试分析，实验在不同温度与湿度及光程条件下对空气中氧气浓度进行测量，验证系统在复杂环境中的应用可靠性。

通过表1性能对比数据可见，波长调制方案在检测精度与响应速度及测量稳定性等方面均优于直接吸收方案，系统检测极限提升近一个数量级，响应时间缩短至180毫秒，测量稳定性提高至±0.8%，重复性误差降至0.5%。实验结果表明该系统已具备工程应用条件，在工业过程氧气浓度监测与医疗呼吸氧含量检测以及环境大气成分分析等领域具有良好应用前景，针对不同应用场景特点，系统在抗电磁干扰与温度漂移补偿等方面仍需进一步优化改进。

结语

基于可调谐半导体激光吸收光谱开展的氧气浓度测量研究取得显著成果，通过系统构建优化与测量参数调整以及波长调制方法改进，建立了高灵敏度氧气浓度测量方案。实验验证表明，直接吸收法实现了20.56%浓度测量，检测极限达5.53×10-3；波长调制技术显著提升了系统性能，使检测极限提高至540×10-6，信噪比达380.74。该测量方法在工业过程监测与环境监测等领域表现出良好应用潜力，针对实际应用需求，系统在小型化集成与环境适应性及抗干扰性能等方面的优化工作将进一步深入开展，为氧气浓度高精度测量技术发展提供新的研究思路。

参考文献

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