检测微量气体水平是现代社会生活中不可或缺的一部分。实时或离线检测微量气体的能力在工业过程、环境监测、医疗诊断、安全、空气质量监测等应用中发挥着重要作用。
气体光谱在线检测技术的要点
为了能够识别特定的分子，许多光学技术已经基于光谱学发展起来，如长路径吸收光谱，腔增强光谱，腔衰荡光谱，光声光谱等等。光谱学提供的主要优势是可以使用它们独特的指纹来识别特定的分子。当被分析的气体中同时存在几种分子时，这是有益的。为此目的开发的设备可以基于高灵敏度，寻找特定气体的百万分之一体积(ppmv)，十亿分之一体积(ppbv)甚至万亿分之一体积(pptv)浓度，或者基于宽带技术，同时寻找许多物种。这些光学技术是非侵入性的，在大多数情况下只需要很少的预处理。
大多数气体光谱检测装置都是基于比尔-朗伯定律所描述的分子种类的吸收。因此，为了优化器件的灵敏度，必须仔细选择光源波长和相互作用长度。许多系统基于电磁波谱的近中红外区域。这主要是因为分子的基本旋转振动吸收模式在该区域产生了很强的光谱指纹。在光谱的近红外区域，由于电信行业的需要，存在许多不同复杂性、大小和价格的光源，这是受欢迎的波长。然而，在该区域发现的分子的光谱指纹比位于中红外的基本吸收模式弱1000倍。中红外光源分散在整个波长范围(3 - 24 μm)，并且有不同的类型，如气体激光器、色心激光器、差频产生、光学参量振荡器、铅盐二极管和zui近开发的量子级联激光器(qcl)等。近年来发展非常迅速的量子级联激光器正在迅速填补波长轴上的空穴，使其成为气体分析的有吸引力的光源。大多数qcl具有定义良好的中心波数和窄线宽，允许准确的分子识别。
下一个重要的因素是优化光和气体体积之间的相互作用长度。在这种情况下，考虑到有时气体体积有限，通常选择使用专门设计的光学腔将光集中在限制气体的体积中。这些空腔采用两种不同的设计方法，即谐振腔或多通腔。共振腔提供了在小于一升的体积内获得千米数量级的相互作用距离的可能性。然而，谐振器有很强的限制，使其实现困难。他们需要反射率高于99.9%的镜子来达到所需的精细度。尽管这种反射镜具有合适的反射率，但它们的带宽仍然限制在中红外波段的几纳米。谐振器的另一个限制是需要一个反馈系统来纠正反射镜的位置，因为它们容易受到微小的机械和热变化的影响。此外，还需要将激光的横模与腔模耦合起来。另一方面，多通腔只允许几十米的相互作用距离，但它们的要求不那么苛刻。反射镜的反射率较低，但其工作带宽要宽得多。多通道腔体对机械和热变化更加稳健，消除了对反馈系统的需要。
qcl相对高的功率和充足的光学腔的结合已被成功地用于实现高灵敏度的光谱技术，如腔衰荡、光声光谱、波长调制光谱和集成腔输出光谱。其中一些技术已显示出ppmv、ppbv和pptv水平的敏感性。然而，这些技术只专注于检测一种或两种选定的分子，主要是因为它们只使用了小范围的qcl可调带宽。通过使用全qcl的可调性，可以检测和区分存在于更复杂的分子混合物中的成分。
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