微机控制的高灵敏度激光光声光谱仪研究

　　1　引　言

　　激光光声光谱检测技术用于微量气体探测具有极高的灵敏度,特别是光谱范围在近中红外的CO和CO2激光器激励的光声光谱仪能够对许多种小分子气体进行高灵敏度的测量[1,2]。但早期的光声测量仅限于间断的气体采样,对某种气体的测量通常只用一条固定的激光线,无法进行背景噪声的扣除和多种气体成分分析。而实际应用中往往需要长时间连续监测,如大气环境质量监测和植物组织微量气体交换研究,都需要连续地测量和记录一些缓慢的变化过程。另外测量过程中采用多条激光谱线交替测量不仅可以同时完成对多种气体浓度的测定,还可以大幅度降低背景噪声的影响,提高光谱仪的极限测量灵敏度。显然这些工作只有依靠计算机控制才能完成。本文在CO/CO2激光器光声光谱检测系统的基础上,设计研制了适用于生物学中微量气体交换研究的光声光谱自动测量系统,给出了测量过程控制和数据处理的主要原理、方法和实验结果。利用该系统对水果在有氧和无氧条件下乙烯生物合成的规律进行了长时间的监测。

　　2　测量过程的计算机控制

　　如图1所示,计算机控制的光声光谱仪主要包括以下几部分:1)可调谐CO/CO2激光器,其光谱范围为5~8μm(工作物质为CO)和9~11μm(工作物质为CO2),通过计算机控制步进电机转动光栅进行谱线调谐; 2)放置在激光腔内的纵向共振光声池,其共振管长15 cm,管直径14 mm,共振频率为1170 Hz,品质因素Q= 21; 3)电子检测和控制系统,由用于检测光声信号的锁相放大器(EG&G5105),快速热释电激光功率探测器和精密交直流变换放大器,压电陶瓷(PZT)高压放大控制器,气体采样控制器,12位多路AD/DA转换器和计算机组成

　　2.1　气体浓度的计算

　　根据气体光声光谱理论,光声池中由调制激光束激励的声波通过微音器探测,由微音器输出的电信号幅度与气体浓度成正比,可以表示为

　　式中A为微音器输出信号幅度;F为光声池常数,决定于光声池的几何设计;α为气体在激光频率处的吸收系数;C为气体浓度;PL为激光功率;SM为微音器灵敏度;PL·N为相干噪声,主要是光声池共振管壁和Brewster窗片吸收引起的与激光功率成正比的相干噪声。非相干背景噪声对测量的影响很小,光声池的设计对背景噪声的屏蔽效果很好,并且锁相放大器对非相干的白噪声有很高的抑制比。

　　系统的检测灵敏度极限取决于系统的噪声水平。为了降低噪声,对单种气体成分的测量,除选择吸收系数较大的测量线外,还需要一条参考线,这样对两条激光线有

信号幅度,可见相干噪声的影响可以消除,提高检测灵敏度。此外,由于将光声池放置在激光腔内,使用于激发光声信号的激光功率较腔外放置提高约40倍(光栅零级耦合输出5%,双向激发),由(4)式可以看出,这将使检测灵敏度提高约40倍。在选择激光谱线时,应使(α1-α2)尽量大,同时两条谱线的频率接近,使噪声系数N对两条激光谱线相同。