绿水青山就是金山银山，环保成为全人类共同的任务。环保的一个重要方面是减少二氧化碳、二氧化氮、甲烷以及其他有害气体的排放，因此，如何探测并捕获这些有害气体便是一个很重要的课题。而这其中，气体光谱探测即利用气体的光谱吸收特性检测气体的存在与浓度，是一种很有效的方法。
气体分子总是处在运动状态，这些运动包括组成气体的原子内部的电子运动、气体分子内原子团的震动、气体分子的转动，也称为自转。同样的一种气体分子其内部的运动状态是不同的，由于每个分子的能量不同，其活跃的程度也不相同，这在物理学上称为处在不同的能级，活跃程度越高，能级就越高，而且这些能级是分立的不连续的。另一方面，每一种分子只能处在自己特定的能级结构里，不同的分子能级结构不同。
气体分子可以吸收光子增加自身的能量，从较低的能级跃迁到较高的能级。例如，当分子吸收了能量较大的可见光光子的时候，内部的电子就会从接近原子核的圆形轨道，跃迁到离原子核比较远的轨道运转，它甚至可以挣脱原子核的束缚，逃逸到自由空间，成为外光电效应中所谓的光电子。
一个光子的能量表达式为：E=hc/λ，从公式E=hc/λ可以看出，光子的能量是离散、不连续的。由于红外光子能量不足以产生电子激发，所以只能引起分子振动和转动的状态发生变化。物理学理论指出，分子一次只能吸收一个光子，而且光子的能量必须是从一个状态到另外一个状态的能量差，即光子的能量要精确的适应两个振动，转动水平之间的能量间隙。
由于不同分子的能级结构不同，特定的气体只能吸收特定的一个或者少数几个波长的光子，形成了气体的吸收线。每种分子独一无二的吸收线也称为气体分子指纹，把各种气体的气体吸收线放在同一波长坐标中，就构成了气体的吸收光谱图，可见后文的图1与图2。
由于各种物质的分子结构不同，对不同能量的光子有选择性的吸收，当特定波长的红外光，例如单一波长的激光通过气体，如果气体中存在与之对应的气体，则光能就被吸收，在输出端可以检测到光强的衰减，对应的气体浓度越大衰减就越强，由此我们可以探测到该种气体的存在以及浓度。
通俗来讲，气体分子吸收红外光子可以改变分子的振动以及转动状态，由于每种气体分子的质量、力矩不同，所以振动频率以及转动速度也不同，那么从一种振动/转动态变化到另一种振动/转动态的转换所需能量也不同，因此便有了气体分子指纹的概念。
气体吸收的定量规律可以由比尔-朗伯特-布拉格公式（I (λ,x) = I0(λ) exp(-σ(λ)Nx)）来定量描述。当光通过气体吸收的时候，I以指数的形式衰减，x是光在气体里通过的路程的距离，N是气体的浓度，σ是波长的函数，它与物质有关，每种气体都对应着一个完全不一样的函数，这就是所谓的分子指纹。
其次，σ是一个离散函数，在多数情况下它都为零，只有在少数几个特征波长上不为零。当它的值为零的时候表示对该波长无吸收，也正是这个函数的存在构成了吸收光谱。
图1是常见的各种气体相对的吸收强度，比如碳酸，碳酸分解后会形成酸雨和大量的二氧化碳气体，是研究人员希望探测到的气体。所谓光谱气体探测，就是利用不同的机器对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性进行测量。
图2可以更为直观地看到气体吸收情况。在气体的吸收峰周围，有一些略微低一点的吸收线，这主要是因为较大的振动能级附近还聚着一些较细的转动能级，再加上转动能级便形成了若干条吸收带，把这些集中在一起，就构成了我们所说的带状光谱。
可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是一种实用的气体吸收测量系统，它的基本方法是选一个可变波长的激光器，其中可变波长的范围包括待测气体的特征吸收波长。通过调节特定的半导体激光器的波长，扫过被测气体分子的特征吸收光谱线，当气体被吸收后的透射光由光电探测器接收到经过信号放大数据处理，并经过标校以后，我们就可以测到待测气体的浓度信息。图3展示了TDLAS的工作过程。
TDLAS吸收光谱系统简单实用，它直观地表示了光谱气体探测的原理，但是在实际测量过程中，从毛毛糙糙的信号线（图4）可以看出，探测系统里含有大量的噪声，包括环境噪声、设备噪声等等。测量过程中通常需要探测浓度极低的气体，而这些噪声往往会淹没它的信号，所以通常要采取各种措施来提高检测灵敏度。
一是选择合适的红外探测器。选择与光源辐射光谱匹配的探测器，探测器的响应峰值波长与光源辐射的波长尽可能一致。其次还要选择合适的探测器灵敏度以及足够快的探测器响应时间。
目前主流的光电探测器主要有三大类，各有各的特点，在气体探测中都有应用。第一种是光伏（PV）探测器，它的输出信号是电压，可以直接接到电压放大器，不需要做偏置电路，所以前置放大器的设计相对容易，但是对探测器的生产工艺要求很高。
第二类是光导（PC）探测器，它的输出信号是电导率或者电阻的变化，光的变化引起的电阻的变化。在取出这个信号的时候，需要一个偏置电压去驱动，需要一个偏置电路，所以前置放大器设计相对复杂，但是在生产工艺上相对来说比较容易。
第三类叫光电倍增管（PMT），它输出的信号是光电流，它是由外光电效应而产生的，所以一般只用在可见光和近红外光波段。它的特点是灵敏度极高，有人甚至用它来做光子计数器，但是它的体积很大，需要高压驱动。此外，它的工作寿命很短，所以一般只用在要求测量精度极高的实验室精密仪器里。
另一种热电类探测器虽然从0.2 μm-20 μm平坦响应， 但响应很慢，特别是灵敏度低，不适合低浓度气体探测。
二是采用调制——锁相放大压制噪声提高探测灵敏度。信噪比是指探测器输出中有用信号S与混杂其中的无用噪声N的比值，记为S/N。当S/N小于1的时候不可探测，一般要S/N=3～5。这里所说的噪声是遍布在系统整个带宽的所有频率的噪声，如果滤去与信号频率不相关的噪声，则可以提高信噪比。以光学调制为例，在光路中加入斩波器调制光信号，通过锁相放大只放大特定频率的信号（当然也包括该频率的噪声），压制其它频率噪声，大大提高探测灵敏度。
光学斩波器调制的最大优点是直观，缺点也很明显—体积大、可用频率低，虽然通过增加转速和斩波盘的开槽数可以提高调制频率，但是一般都在1K以下，低频下1/f噪声严重，所以一般用于连续辐射源，比如黑体作为辐射源的的系统。
前面介绍TDLAS时提到，吸收光谱DAS原理直观、系统结构简单。如果吸收谱线足够强，即吸收物质的浓度足够高、提供足够的信噪比，则可以使用吸收光谱方法进行准确测量。但是各种噪声，比如光源强度波动、探测器噪声、散粒噪声以及其他技术噪声都会影响系统的探测灵敏度。
在检测低浓度的气体分子时，有用的信号会淹没在大量的噪声里，需要进一步减少吸收接收信号中的噪声才能实现有效测量，激光波长调制光谱就是一种在吸收光谱技术中广为应用，用来抑制噪声的方法。尤其是在TDLAS中结合WMS和锁相放大等抑制噪声的技术，可以实现ppm甚至ppb量级的痕量气体分子浓度测量。
WMS是将入射激光的强度用一个相对较高频率的载波（通常约为10 kHz）进行调制（如图4），利用锁相放大器创建指定频率的带通滤波器，通俗地说就是只放大调制频率的信号并压制其它频率。如果带宽足够窄，最理想是单波长，便能抑制宽带噪声。另外用于调制的频率必须避开主要的噪声频率。WMS技术可以理解为是将吸收光谱的检测转移到了信噪比较优的高频，以此达到抑制噪声的目的。
在这里要注意区分载波频率（一般在10 kHz左右）与激光频率（100 THz左右）的区别！
上面的方法相当于无线电中的振幅调制，类似的也可以调制光源的发射频率，做成调频系统，如何解调无线电中有成熟技术可借鉴。
此外还有构建特殊光路延长光程、光外差法消除环境影响等其它方向。
刘广荣 ，工学博士，北京理工大学教授，北京北埃特光电子技术有限责任公司技术负责人。主要专业方向是光电测试技术、夜视与红外热成像技术。
本文改编自刘广荣教授在《光言万物》平台上的直播——红外探测器在气体光谱测量中的应用。
本文注明来源为其他媒体或网站的文/图等稿件均为转载，如涉及版权等问题，请作者在20个工作日之内联系我们，我们将协调给予处理。最终解释权归光电汇所有。
