Leukos超连续谱激光器在气体检测成像方面的应用

法国Leukos超连续谱激光器可用于在气体检测方面的应用，比如C₂H₂和H₂等等。而传统的检测技术总是存在一些问题，达到降低了检测效果。超连续谱光源在超连续谱气体检测、超连续谱激光气体检测方面具有天然的优势，可以用在光声光谱技术和利用时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射技术。

传统的检测技术存在限制，利用超连续谱激光器建立起来的测量系统可以弥补传统测试的缺点，提高检测效果，满足检测越来越多的需求。

一、利用时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射技术

目前在产氢实验中氢气检测的常规方法为气相色谱法，气相色谱法虽然选择性和灵敏度均很高，但是由于测量过程中需要取样，会对体系产生一定的干扰。使用这种方法，如过于密集的数据采集，会抽出体系中很大一部分的气体，对体系产生极大的干扰，同时检测工作量也会成倍的提高。而以光解水产氢为例，由于其产氢的反应机理十分复杂，如果能够对其反应动力学过程进行详尽的研究，就有助于对反应机理的理解，这就需要开发一种新型高灵敏度、无干扰、原位测量氢气浓度/分压的方法。

相干反斯托克斯拉曼散射检测由于具有无干扰、快速、原位检测的优点，非常适合对产氢体系反应动力学进行研究。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)现象是Maker和Terhune于1965年观测到的。70年代初，CARS开始被用于气体的温度探测。经过40多年的发展，现在已被广泛用于工业、生物医学、化学分析等领域，已成为流体温度和浓度场分布测量中最有效的方法之一。

上图为检测原理。当为泵浦光频率为ω1的激光和被称之为斯托克斯光频率为ω2的激光同时作用在样品上(ω1>ω2)。当调谐斯托克斯光的频率, 使泵浦光与斯托克斯光的频率差恰好等于样品分子固有的振动频率(ωR)时, 由于共振作用, 样品分子将被抽运到拉曼相干态νʹ,Jʹ(其本质是相干的振动激发态)。此时, 当称之为探测光频率为ω3的激光在相位匹配方向入射到样品上时, 将会产生大大增强的反斯托克斯拉曼信号ω4, 并从相位匹配的方向射出。

典型的检测系统结构如下：

二、光声光谱技术

传统光谱检测技术受到样品的吸收、光散射、反射的不可避免干扰，导致入射光强度的降低。为了避免样品材质引起的信号干扰需要透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶体等，这就是测试条件受到了很多限制。而超连续谱设备集成光声光谱等技术后的设备，就可以解决这个问题。

C₂H₂是一种无色且高度易燃的气体，在液化、压缩、加热或与氧气混合时会发生爆炸，因此需要对制造工厂和工业过程进行监控，开发用于乙炔的紧凑型光学传感器是很有必要的。有多种光谱和非光谱技术中，光声光谱(PAS)是一种非常通用且有效的技术，利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势，可用于检测ppb级的痕量气体。

什么是光声光谱技术？

当激光打在样品上时，样品会因吸收激光而受到激发，产生荧光、磷光，或则产生热。因为吸收光强呈周期性变化，容器内压力变化也呈一定的周期性，尤其是当样品是是气体或液体时，因样品也是压力介质。当外部的调制光的频率一般位于声频范围内，这种压力的变化就可以成为声波，从而能被探测到。声波信号转变为光信号，就可形成图像。

在研究系统中，使用了具有宽带宽（900-2800nm）的Leukos超连续谱激光器（超连续谱光源），搭配一个以1525nm为中心、带宽为50nm(FWHM)的带通滤波器，这种波长范围是为了与C2H2的吸收线相匹配，是一种超连续谱气体检测技术。

上图1(a)显示了获得的光谱，光程长度为250mm。系统的光谱分辨率保持在0。1nm，由于C₂H₂的吸收截面为2。5×10-²⁰cm²/分子量级，在100kPa下可见饱和。图1(b)显示了DAS和PAS吸光度随压力变化的比较。当考虑将乙炔谱线的整个组合带用于产生光声信号时，在较高压力下，C2H2谱线饱和，未观察到线性趋势线。图1(c)显示了超连续谱激光气体检测在较低压力下PAS实验的吸光度随压力的变化，可以观察到线性趋势变化。