波長調制光譜（WMS）技術簡介

可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， 即TDLAS）是一種紅外吸收光譜分析技術，利用分子“選頻"吸收形成吸收光譜的原理，實現高分辨率的分子濃度定量分析技術。TDLAS能夠進行原位非接觸式測量，并且具有高精度、高選擇性等特性，結合波長調制光譜（WMS）和鎖相放大等抑制噪聲的技術，可以實現ppm甚至ppb量級的痕量氣體分子濃度測量。

之前我們已經介紹過鎖相放大的工作原理和其在TDLAS中的應用，今天小編就跟大家聊聊WMS背后的科學還有實際的應用方式吧！

TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律

了解WMS技術之前，我們先簡單復習一下TDLAS的原理：基本方法是通過調諧特定的半導體激光器波長，掃過被測氣體分子的特定吸收光譜線，被氣體吸收后的透射光由光電探測器接收，經鎖相放大模塊提取透射光譜的諧波分量，反演出待測氣體濃度信息。

為了確定與于目標分子濃度相關的吸收，必須將透射光強度I與入射光強度I₀進行比較。這個定量分析的依據來自Beer-Lambert定律：

其中L為光程，α(v) 是由入射光波長和樣品中目標分子濃度同時決定的吸收系數。TDLAS技術通過使用Beer-Lambert定律分析吸收光譜的數據，便可以獲得分子濃度信息。

圖一 TDLAS技術示意圖

直接吸收光譜（DAS）

接著，我們來看一下直觀的直接吸收光譜（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）技術。顧名思義，DAS技術通過檢測入射光和透射光強度直接獲得光吸收量（如圖二），并根據兩個信號的比例直接推斷出氣體特性，典型的DAS方法得到的信號如圖三。

圖二 DAS示意圖：調諧激光器波長掃過被測氣體分子的特定吸收光譜線，在吸收峰可以直接看到的投射光強度衰減

圖三 直接吸收光譜（DAS）技術的典型透射光強度信號

圖三也顯示了DAS的潛在問題，其相對簡易直接的性質使得DAS對許多噪聲源敏感。各種高強度的噪聲可能源于激光強度波動、激光波長波動（如果激光波長在吸收曲線內波動，也會導致透射光的強度波動）、探測器噪聲、散粒噪聲（光子噪聲）和其他技術噪聲。如果吸收譜線足夠強，即吸收物質的濃度足夠高、提供足夠的信噪比 (SNR)，則可以使用DAS進行準確測量。然而，檢測低濃度的氣體分子需要進一步減少吸收接收信號中的噪聲，WMS就是一種在TDLAS技術中廣為應用來抑制噪聲的方法。

波長調制光譜（WMS）

WMS能夠改善DAS在信噪比較差的環境中的局限性。將入射激光的波長用一個相對較高頻率的載波（通常約為10 kHz）進行調制（如圖四），并且將吸收光譜信號以調制頻率或該頻率的諧波進行解調評估分析，獲取特異但有規律可循的諧波波形，從而獲取分子濃度信息。由于噪聲的影響主要存在于低頻，例如二極管的1/f噪聲或機械噪聲，WMS技術將吸收光譜的檢測轉移到到了信噪比較優的高頻，以此達到抑制噪聲的目的。

圖四 WMS示意圖：調制入射激光的波長至較高頻率，將接收端信號以調制頻率的諧波進行解調分析

WMS的實現是通過調制可調諧半導體激光器的注入電流，以達到對激光輸出的波長和強度的高頻調制，并將吸收信號移到了更高的頻率。其中，TDLAS系統的線性響應（激光器的線性強度調諧）以調制頻率的一次諧波為中心，系統的非線性響應（例如吸收和非線性強度調諧）則反應在調制頻率的二次及更高次諧波，因此可以透過對高次諧波信號的分析來提取光譜吸收信息。一般來說，二次諧波分析足以滿足大多數的氣體分析要求。

要提取并分析在已知載波頻率的高頻信號，鎖相放大器是一個十分強大的工具。利用鎖相放大器可以用來創建一些頻率的帶通濾波器，如果帶寬足夠窄，便能抑制寬帶噪聲，所以用于調制的頻率必須避開主要的噪聲頻率。

（點擊這里了解鎖相放大器在TDLAS系統中的功用）

除此之外，WMS技術還提供了另外一種選擇，能夠通過頻分復用的方法同時發射傳播多個不同波長的激光。多個激光以不同的頻率調制并收集在單個探測器上，謹慎選擇的調制頻率能夠盡量避免諧波重疊或拍頻干擾，最終每個激光信號都可以由獨立的鎖相放大通道器提取。利用昕虹光電數字電路實現的雙通道鎖相放大器，使得實現這樣的一個多組分分子一體化探測系統變得經濟而簡單，實現對多個目標分子（如多種溫室氣體N2O,CH4,CO2等）同時進行測量。