激光吸收光譜（LAS）技術由于具有高定量性和操作直接的優勢而成為目前最為廣泛使用的激光光譜氣體檢測技術。作為最重要的性能指標之一，氣體傳感的動態范圍在諸如大海拔跨度大氣成分分析、標準氣體檢定、燃燒效率精準監控等氣體濃度變化范圍大（可跨越5個數量級以上）的應用場景中尤其受到關注。然而，LAS技術需要從基線中提取吸收信息，難以平衡痕量氣體檢測時的弱吸收和高濃度氣體檢測時的過度吸收，導致其動態范圍通常被限制在3~4個數量級。因此，有效擴展LAS氣體傳感技術的動態范圍以滿足更多實際應用需求具有重要意義。

導讀

根據比爾-朗伯定律的基本原理，擴展LAS動態范圍的直接方法通常只有兩種：選擇不同強度的氣體吸收線和改變吸收光程。近期，哈爾濱工業大學董永康教授團隊提出了一種新型的融合吸收光譜和色散光譜的大動態范圍氣體傳感技術——激光矢量光譜技術（LaVS）。該技術采用調頻連續波（FMCW）干涉系統同時獲取目標氣體的吸收光譜和色散光譜信息，并充分利用前者在低濃度區的高靈敏度特性和后者在高濃度區的高線性度優勢。在乙炔氣體測量的驗證性實驗中，實現了6x107的超大線性動態范圍，超越所有其它LAS技術一個數量級以上。相關成果以“Gas sensing with 7-decade dynamic range by laser vector spectroscopy combining absorption and dispersion”為題在Photonic Research期刊上發表。該論文的作者為哈爾濱工業大學碩士研究生王玥、徐寧，婁秀濤教授和董永康教授。

創新研究

LaVS技術原理

LaVS技術原理如圖1所示。在FMCW干涉儀結構的探測路中放置一個內部具有多個弱反射點的多通池以實施光程復用技術。痕量氣體傳感方法和傳統的LAS技術類似，利用氣池整體光程長度進行測量。通過FMCW干涉法，可以獲得氣池內部不同反射位置對應的不同光程的矢量光譜信息，用于分析非痕量濃度的氣體：對于較低濃度氣體，選用具有相對高信噪比的吸收光譜進行分析（濃度越低，選擇的光程則越長，反之亦然）；對于強吸收導致光譜擬合困難的高濃度氣體，選用在較高光學厚度下仍具有線性響應的色散光譜進行分析。

圖1LaVS技術原理示意圖

圖源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651 (Fig.1）

LaVS實驗裝置

LaVS系統的實驗裝置如圖2所示，包括Mach-Zehnder主干涉結構以及Michelson輔助干涉結構。在主干涉結構探測路的多通池（基長為18 cm，內部反射232次）內充入待測乙炔氣體。采用線寬為60 kHz的外腔半導體激光器（SANTEC，TSL-770），掃描覆蓋乙炔1521nm附近的R7線。輔助干涉路產生的拍頻信號通過PD1接收，用來通過希爾伯特變換矯正激光調頻的非線性；FMCW拍頻信號由平衡探測器接收；通過多通池后的透射光經過衰減后被探測器PD2接收。

圖2LaVS實驗裝置

圖源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.2）

同時獲取吸收和色散光譜的流程

圖3以8440 ppm乙炔氣體檢測為例展示了LaVS同時獲取不同吸收光程下吸收光譜和色散光譜的數據處理過程。可以清楚的看到，吸收光譜在長光程情況下其中心部分觸頂，這使得光譜分析變得困難。相比之下，即便是在較高光學厚度區域，色散光譜信號幅值隨著吸收光程的增加而線性增長。因此，可期待利用色散光譜有效擴展探測上限。

圖3同時獲取多通池內8440 ppm乙炔的吸收光譜和色散光譜的數據處理流程。（a）采集到的原始拍頻信號；（b）對（a）中所示拍頻信號的傅里葉變換結果；（c）對（b）中所示的三個反射峰（#5，#11，#17）進行傅里葉逆變換獲取的吸收和色散光譜。

圖源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.3）

吸收和色散光譜的測量結果

為驗證LaVS技術的大動態范圍傳感能力，實驗測量了跨越6個數量級以上的7種不同濃度的乙炔（1.2 ppm至99.3%）。圖4展示了FMCW干涉信號反演的濃度在100 ppm以上的5種乙炔樣品氣體的吸收和色散光譜。對于102 ppm和1090 ppm的低濃度氣體，選用高信噪比的吸收光譜進行分析；對于高濃度的8440 ppm、9.3%和99.3%氣體，選用高線性度的色散光譜分析。對于1.2 ppm和8 ppm的痕量氣體，利用多通池的透射光獲得高信噪比的吸收光譜（未展示）。對1.2 ppm乙炔的連續測量數據進行Allan方差分析，表明在24 s最佳平均時間處可獲得的最低探測濃度為0.016 ppm。

圖4不同濃度乙炔在不同光程下的吸收和色散光譜。（a-b）對于102 ppm和1090 ppm的低濃度氣體，吸收光程分別為19.389 m和3.949 m；(c-e)對于8440 ppm，9.3%和99.3%的高濃度氣體，吸收光程分別為6.103 m、1.064 m和0.359 m。每個光譜通過20次結果平均獲得。

圖源：Photonic Research（2023）https://doi.org/10.1364/PRJ.492651(Fig.4）

動態范圍評估

圖5展示了乙炔氣體測量濃度和理論值的對比結果。線性擬合的R2大于0.9999，表明系統具有近乎完美的線性響應。傳感的動態范圍由探測下限和探測上限共同決定。根據0.016 ppm的探測下限和99.3%的探測上限評估，當前LaVS系統的線性動態范圍為，該指標比目前所有已報道的LAS技術大一個數量級以上。

圖5乙炔測量濃度與預估濃度的對比圖

應用與展望

我們提出并實驗驗證了一種新穎的用于大動態范圍氣體傳感的激光矢量光譜技術，該技術有效融合了吸收光譜的高靈敏特性和色散光譜的高線性度優勢，實現了7個數量級的大動態范圍。由于吸收和色散間固有的定量聯系，激光矢量光譜具有和激光吸收光譜相同的準確定量能力。所提出的激光矢量光譜技術同樣能夠結合其他輔助辦法，例如氣體稀釋、使用組合氣池、選取不同強度的吸收線等，來進一步拓展動態范圍，使得更具挑戰性的氣體傳感應用成為可能。由于在強吸收情況下具有良好的性能表現，可以預期激光矢量光譜技術有望進一步拓展至液體傳感應用領域。

主要作者

董永康，論文通訊作者，哈爾濱工業大學航天學院教授/博士生導師，教育部國家級高層次人才，哈爾濱工業大學航天學院副院長，集成電路科學與工程學科負責人，可調諧激光技術國家級重點實驗室常務副主任，中國光學工程學會理事，國際著名期刊Optics Letters編委，Photonic Sensors編委，《激光與光電子學進展》編委。從事光纖與激光傳感器基礎研究、技術研發和工程應用，取得多項創新性研究成果。在國際權威期刊發表論文110余篇，愛思唯爾高被引學者。

婁秀濤，論文第一作者，哈爾濱工業大學物理學院教授/博士生導師，哈爾濱工業大學物理實驗教研中心主任，黑龍江省物理學會理事，第一/二/三屆全國光學與光學工程博士生學術聯賽東北賽區組委會秘書長。在國際期刊發表SCI論文30余篇，授權國家發明專利13項。

審核編輯：彭菁