基于脉冲激光器泵浦的紧凑型双谐振腔光参量振荡器的新型气体分析仪，可以实时监测多种气体，其在ppb量级上具有非常宽的动态范围。

Bertrand Hardy-Baranski, Oliver Le Mauguen；Blue Industry and Science公司

Florent Thibault；Teem Photonics公司

在石油和天然气、化学、制药和食品工业中，非常有必要用气体测量仪器控制和监测工业过程。受到节省成本与能源、以及进一步减少污染物排放的限制，这些行业正在不断寻求更先进的气体测量技术，以对浓度从非常低到较高水平的多种气体进行实时定量测量。

尽管基于激光的光学气体分析仪是痕量气体实时定量检测的自然解决方案，但此前很难开发能够足够精确地测量超过三至四种气体的系统，这是由于受波长可调谐性（通常为几个波数）的限制。但是，一种基于脉冲微芯片激光器泵浦的光参量振荡器（OPO）的新型气体分析仪，能够实时定量测量八种气体种类，测量浓度下限低至30 ppb。这种新型气体分析仪正在响应上述新的工业需求。

基于激光器的气体传感方法

当被红外（IR）区域的激光光源激发时，分子发射独特的信号，该信号代表了待测样品中的气体种类及浓度。此光谱“指纹”是由分子的振动模式与探测光的相互作用而产生的。对于大多数气体种类的简便辨别，最佳区域在中红外范围内，通常在2~5 µm窗口。

迄今为止，两类主要的气体分析仪均基于该原理。傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪采用宽带光源，扫描宽带范围内的IR光谱（通常为几千cm^-1）。信号代表了存在于样品中气体的所有特征的总和，通过干涉仪来进行解析，得到样品中每种气体种类的浓度。虽然这类光谱仪非常适合样品中气体的完全鉴别，但在商业产品中其检测限通常在ppm量级。

可调谐二极管激光吸收光谱学（TDLAS）仪器针对气态物质红外特征的某一峰值（通常为1~10 cm^-1）。它们一般使用分布反馈二极管或量子级联激光器（QCL），或者新近还使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

这些光谱仪可以在非常短的时间内（一般为毫秒级），监测非常低浓度（ppb量级甚至更低）的气体。然而，TDLAS仪器仅能够监测少数气体（通常为一到三种），并且很大程度上依赖特定的环境；也就是说，不同的环境可能需要针对目标气体种类的另一个光谱吸收带，以应对干扰种类，因此需要不同的激光光源。

高分辨率和宽调谐范围

采用French Aerospace Lab ONERA的专利光学技术，以及Teem Photonics公司的脉冲微芯片激光器，Blue Industry and Science公司开发出了一种具有非常高分辨率的可调谐激光光源（VHR-TL），其具备非常宽的调谐范围（目前的型号介于2350~3125 cm^-1之间）与非常高的分辨率（0.01 cm^-1），从而使得单个光源集宽带可调谐性和窄线宽于一身。^[1]相比而言，在近似分辨率下，VHR-TL光源跨越775 cm^-1，而QCL限制在10 cm^-1。

VHR-TL的核心是所谓的嵌套腔双谐振OPO（NesCOPO）设计（见图1）。与任何OPO一样，NesCOPO将输入泵浦光ω_p转换为两种输出光：信号光ω_s与闲散光ω_i。这种转换是在一个（或多个）谐振腔中的非线性晶体中完成的，​​根据能量守恒原理ω_p = ω_s+ ω_i。通过改变OPO的物理参数，可以在可实现的光谱范围内设定ω_s和ω_i的值，仅用闲散光用于红外光谱测量。

双谐振OPO设计的一个主要优点，在于其相对于标准单共振方案具有较低的激射阈值，这基本上是因为两个参量光均在腔内谐振（见图2）。VHR-TL OPO也采用双程泵浦方案，从而降低了激射阈值，并能够以便宜的脉冲微芯片激光器进行泵浦。这些被动调Q激光器提供几纳秒的脉冲，匹配OPO的增益建立时间，在1064 nm具有千瓦级的峰值功率，从而有效驱动参量光产生。

与单谐振OPO相反，闲散光ω_i呈现激光般品质的输出。优越的光束质量、更高的能量密度和光谱纯度结合在一起，使其能够实现更高的灵敏度和光谱分辨测量。

对NesCOPO嵌套腔设计来说，信号光和闲散光在不同腔内谐振。两个腔的频率梳在非线性晶体内交叠，具有更好相位匹配的纵模将确定实际的光谱输出特性（见图3）。通过精心设计，在非线性晶体的有效增益带宽内，可以实现任何频率的单模运行。

两个腔的凹面镜（M1和M3）由压电驱动器驱动，以提供输出频率的连续调谐。 腔镜指令完全由软件控制，范围为775 cm^-1，分辨率优于0.01 cm^-1。该系统无需任何硬件改变就可以容易地针对应用进行定制，例如减少测量周期，或在特定环境中添加或删除所分析的气体种类。

工业性能

VHR-TL光源对于Blue X-FLR8气体分析仪而言不可或缺，它提供与TDLAS类似的性能指标，同时在ppb量级检测限下提供真正的多气体分析可能性。例如，该系统能够实时地连续监测八种气体：五种低ppm量级的轻质烃、以及从低ppb至ppm量级的丙烷、一氧化二氮和二氧化碳。得益于该设备的高分辨率，它甚至可能解析吸收跃迁的谱形。

Blue气体分析仪在大于700 cm^-1​​扫描范围内对四种气体分析的图形输出，与FTIR技术所能获得的结果接近（见图4）。但Blue X-FLR8分析仪测量优于先进的FTIR系统，因为在测量甲烷时它显示了一个多峰结构，这是传统的基于FTIR的扫描所无法实现的（见图5）。

光纤耦合微芯片激光器泵浦，令VHR-TL紧凑（尺寸40 cm×30 cm×17 cm，重量12 kg）和坚固的设计成为可能，使得Blue气体分析仪自身足够紧凑可靠，可用于在线或移动应用中，几分钟内即可投入使用。

当大型工业气体公司用其实施过程控制监控时，通过扫描七个不同的红外窗口（见表1），^[2]仪器计算工艺实时污染物，并据此触发及时的维护周期。所挑选的窗口在测量所需的时间，以及通过对实时光谱去卷积来精确量化气体种类的能力之间提供良好的折衷。目前的测量周期为5分钟，当2015年初该分析仪部署到生产现场时，测量时间将会持续缩减。

表1：

工业应用中正在越来越多地使用红外光谱技术，因为它们提供痕量水平级的快速、可靠和无人测量。相较于当前广泛建立的气相色谱或质谱技术，红外光谱技术更容易实施，因为它们几乎不需要耗材，并且使操作时间最短。配备VHR-TL光源技术的Blue气体分析仪，在现有的TDLAS性能指标上添加了多气体分析能力，具有在实时工业过程监控领域中促进新应用的潜力。

参考文献

1. B. Hardy et al., Opt. Lett. 36, 678–680 (March 2011); doi: 10.1364/OL.36.000678.

2. S.W. Sharpe et al., Appl. Spectrosc. 58, 1452–1461 (July 2004).