[发明专利]光谱分析方法和系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及光谱分析领域，具体地涉及基于法布里佩罗量子级联激光器外差法的中红外光谱分析技术。

背景技术

中红外波段(3微米～30微米)是光子与许多气体分子相互作用最强的震动／旋转基态能级的波长区间。爆炸物分子(如TNT等)以及生物医学里碳氢化合物分子的特征吸收谱区较宽，对于这些大分子的中红外分析探测，需要光源的调谐覆盖范围大于50cm^-1。另一方面，为了有效区分一些小分子的窄带吸收谱，又需要光源的频率分辨能力很强(频率解析度<0.1cm^-1)。因此，开发出一种既能实现宽谱覆盖，又具备高频谱分辨率，小体积，低成本，稳定可靠的中红外光谱气体分子分析技术，对于环境保护，医疗，工业排放／过程监控，防爆反恐，国家安全等方面都具有十分重要的现实意义。

傅立叶变换红外光谱分析技术(Fourier Transform Infrared Spectroscopy，或FTIR)，是一种目前在化学分析，传感领域最常用的中红外光谱分析技术。FTIR的原理是基于迈克尔逊干涉原理。以宽带光源为起始，此光源含所有波长的光谱，傅里叶转换光谱就是利用此光来进行测量。光线射到了迈克尔逊干涉仪——由一定组态的镜子所构成，其中一面镜子会以马达促使其移动。当镜子移动时，光束中每个波长的光会借由干涉仪产生相干干涉，形成周期性的干涉条纹。不同的波长组分，由于样品的吸收，会有不同强度的干涉条纹，所以在每个镜子的移动时刻，光束在通过干涉仪后都会产生不同的光谱。如同先前所提，计算机处理是需要将原始的干涉数据(在每个镜位的吸光值)转变为所预期的结果(在每个波长下的吸光值)。此过程中所需的转换是一种常见的算法，称为傅立叶转换(因此命名为″傅立叶变换红外光谱″)，而原始的数据也被称为干涉图″。

对于傅立叶变换红外光谱技术，主要存在以下缺点：

1.由于所用的光源为黑体辐射产生的非相干光，光谱强度较低。

2.由于仪器体积的限制，常用的光谱分辨率并不太高(～0.1cm^-1)。因为光谱分辨率与迈克尔逊干涉仪的干涉臂长度成反比关系。若想得到更高的光谱分辨率，需要更大而笨重的仪器，限制了仪器的便携性。

3.数据获取，处理时间较长。无法实时监测快速变化的光谱信息。

4.仪器中有活动的机械部件(干涉仪镜片)，可靠性不高。

5.仪器成本非常高。

量子级联激光器(quantum cascade laser or QCL)的发明及发展，为中红外光谱分析与传感技术注入新鲜的血液。QCL是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极激光光源。通过量子阱能带设计，QCL的输出波长可以被随意设计，使其覆盖中红外波段任意气体分子的特征吸收谱线。近年来，QCL光源研究领域的快速进展，使得它具有室温下连续激射，体积小，光束质量高，寿命长等优点。这些优点，大大加速了基于中红外波段光谱分析技术的气体传感器的开发与商用化。以QCL为光源发展出了多种中红外波段的光谱分析与传感技术。这些技术摆脱了液氮制冷，大体积，寿命短，操作复杂等实验室条件的束缚，迅速走向实际应用领域。

基于QCL的光谱分析技术，一般都需要QCL的输出为单纵模，通过对单纵模在频率范围内的调谐，实现对分子吸收谱的连续扫描。目前实现单纵模输出的主要技术有两种，一种是在QCL有源区的波导顶部外延生长出一条分布反馈光栅(Distributed FeedBack或DFB)，通过空间光栅的周期耦合来选择激光器的输出波长；另一种是利用外置的光栅形成激光器增益反馈端面，法布里佩罗(Fabry-Perot或FP-)QCL激光器作为增益介质，通过调整光栅角度来选择激光器的输出波长，这种技术也被称为外腔(Extemal Cavity，或EC-)QCL。最终对分子吸收光谱的分析，需要结合光电探测器，通过调谐以上两种QCL的输出波长，分析探测器信号，得到一定频率范围内的吸收光谱。