管道漏沒漏、礦井里有沒有瓦斯、煙囪排了多少——這些事靠鼻子不行，靠化驗(yàn)太慢。真正好用的辦法是讓一束光穿過去，看它被吃掉多少。

這件事能成，靠的是分子在特定波長上的吸收。每種氣體吸收的波長都不一樣，像指紋一樣可以對(duì)上號(hào)。這套路子通常叫可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜，名字長，道理其實(shí)就三句話：找對(duì)波長、看吃掉多少、把微弱信號(hào)挖出來。

一、每種氣體都有自己的吸收指紋

分子內(nèi)部除了電子能級(jí)，還有振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。這兩類能級(jí)的間距比電子能級(jí)小得多，正好落在紅外波段。所以紅外光子打上去，分子就能吸收它、跳到更高的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1：每種氣體都有自己的吸收指紋

關(guān)鍵在離散：能級(jí)是分立的，分子只能吸收能量正好匹配的那些光子。于是吸收不是連續(xù)的一片，而是一條條尖銳的譜線——位置由能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，是這種氣體獨(dú)-有的。

這就是「指紋」的來歷：譜線的位置決定是什么氣體，譜線的深淺決定有多少。而譜線的寬度則由溫度和壓力決定——壓力越高碰撞越頻繁，譜線被撞得越寬，這叫壓力展寬。

順帶一提，原子在這件事上不太行：它的能級(jí)主要是電子能級(jí)，間距大，多落在可見與紫外，紅外區(qū)幾乎沒有可用的譜線。所以測(cè)氣體這事，基本是分子的天下。

譜線也不是隨便挑一條就行。挑的時(shí)候至少要看三件事：強(qiáng)度夠不夠——太弱的線測(cè)不出來；有沒有別人擋道——同一波段附近若還有其他氣體的譜線，讀數(shù)就會(huì)被污染；對(duì)溫度敏不敏感——有些譜線的強(qiáng)度隨溫度變化很大，現(xiàn)場(chǎng)溫度一波動(dòng)讀數(shù)就跟著晃。工程上常要在這三條之間反復(fù)權(quán)衡，最后挑出一條勉強(qiáng)都能接受的。

二、比爾-朗伯定律：吸多少，由濃度和路程一起決定

光穿過一段氣體，強(qiáng)度會(huì)按指數(shù)往下掉。這條規(guī)律叫比爾-朗伯定律。

圖2：吸多少，由濃度和路程一起決定

寫成式子是 I = I? · exp(?σ·N·L)。其中 I? 是入射強(qiáng)度、I 是出射強(qiáng)度，σ 是這種氣體在該波長上的吸收截面，N 是分子數(shù)密度（也就是濃度），L 是光走過的路程。

指數(shù)看著麻煩，取個(gè)對(duì)數(shù)就變成簡單正比：吸光度與濃度 × 光程成正比。這正是能算的根據(jù)——測(cè)出 I 和 I?，知道 L，濃度就出來了。

這條式子給出兩條很實(shí)用的推論。一是濃度越高，出射越暗；二是光程越長，越靈敏。想測(cè)更低的濃度，把光程做長往往比死磕探測(cè)精度更劃算——這一點(diǎn)直接決定了后面氣室怎么設(shè)計(jì)。

三、為什么非得是可調(diào)諧激光

氣體的吸收線極窄，寬度常常遠(yuǎn)小于普通寬帶光源的譜寬。拿寬帶光源去照，只有其中極小一段被吸收，變化淹沒在總光強(qiáng)里，基本測(cè)不出來。

圖3：為什么非得是可調(diào)諧激光

可行的辦法是：找一個(gè)線寬比吸收線還窄的光源，讓它的波長精確地掃過整條譜線，逐點(diǎn)測(cè)出透射強(qiáng)度。這就是「可調(diào)諧」三個(gè)字的分量。

半導(dǎo)體激光器件正好對(duì)上路子——線寬窄、可以用電流或溫度調(diào)諧、體積小、還能選到需要的波長。這也是為什么這類測(cè)量幾乎都用半導(dǎo)體激光器當(dāng)光源。

還有一條是硬要求：波長得穩(wěn)。波長漂一點(diǎn)，掃過的就不是譜線中心，讀數(shù)直接跑偏。因此溫控與電流穩(wěn)定度都是硬指標(biāo)，不是錦上添花。

四、波長調(diào)制：把微弱信號(hào)從噪聲里挖出來

低濃度下吸收極其微弱——透射光可能只掉了萬分之幾。這么小的變化直接測(cè)，會(huì)被光源波動(dòng)、探測(cè)器噪聲、環(huán)境干擾全部蓋住。

圖4：把微弱信號(hào)從噪聲里挖出來

常用的辦法是波長調(diào)制：在緩慢掃描的基礎(chǔ)上，給激光疊加一個(gè)高頻的小抖動(dòng)，讓它以很快的速度在譜線中心附近來回掃。于是透射光強(qiáng)也跟著抖——而且因?yàn)樽V線不是平的，抖出來的波形會(huì)發(fā)生畸變，不再是標(biāo)準(zhǔn)正弦。

畸變里就藏著濃度信息。用鎖相放大器把這個(gè)高頻信號(hào)檢出來，能分解出各次諧波：直流分量、一次諧波、二次諧波等等。其中二次諧波的幅度與濃度成正比，而且在譜線中心處達(dá)到最大。

這么做的好處很實(shí)在：調(diào)制頻率選在高頻，就躲開了大量的低頻噪聲（比如光源的緩慢漂移、環(huán)境的溫度起伏）。信噪比往往能提升一兩個(gè)數(shù)量級(jí)——這正是能測(cè)到 ppm 甚至 ppb 級(jí)的關(guān)鍵。

還有個(gè)常用的技巧叫 2f/1f 比值法：把二次諧波的幅度除以一次諧波的幅度。這樣做的好處是能把光強(qiáng)本身的波動(dòng)消掉——激光器輸出功率變了、窗口臟了、探測(cè)器增益漂了，這些都會(huì)同時(shí)影響一次和二次諧波，一除就抵消了。剩下的是純粹跟吸收有關(guān)的量，讀數(shù)因此穩(wěn)得多。

五、光路：怎樣把光程做長，又不把儀器做大

既然光程越長越靈敏，工程上的核心問題就變成了：怎么在不把儀器做成柜子的前提下把光程拉長。

圖5：怎樣把光程做長，又不把儀器做大

最-簡-單的單程氣室就是讓光直穿一次，光程等于氣室長度。結(jié)構(gòu)簡單、好清洗，但靈敏度有限。

更常用的是多反射池：兩面反射鏡相對(duì)而放，讓光在中間來回反射幾十次再出來。幾十米的光程可以塞進(jìn)一個(gè)手掌大的池子里，靈敏度立刻上去。代價(jià)是光路調(diào)試要精細(xì)，鏡面臟了影響很大。

用法上也分兩類。原位式把收發(fā)兩端直接裝在管道或煙囪兩側(cè)，光穿過被測(cè)環(huán)境，響應(yīng)快、不用取樣，但得扛住粉塵、振動(dòng)和溫度變化。抽取式則先把氣體抽進(jìn)氣室再測(cè)，環(huán)境可控、維護(hù)方便，代價(jià)是有取樣延遲，管路還可能吸附某些成分。

還有幾條是現(xiàn)場(chǎng)必須留意的：溫度與壓力要補(bǔ)償，因?yàn)樽V線強(qiáng)度和寬度都隨它們變；標(biāo)定不能省，得用已知濃度的氣體定標(biāo)并定期復(fù)核；光學(xué)窗口要保持干凈，鏡片臟了在讀數(shù)上看等同于濃度虛高。

至于能測(cè)到多低，行業(yè)里常用噪聲等效吸收來衡量——它指的是儀器能分辨的最小吸收量，等于噪聲水平對(duì)應(yīng)的等效濃度。這個(gè)數(shù)再除以吸收截面和光程，就得到檢測(cè)限。所以想往下壓檢測(cè)限，無非三條路：把噪聲做小、把光程做長、選吸收更強(qiáng)的譜線。三條都有各自的代價(jià)，實(shí)際設(shè)計(jì)就是在這三者之間找平衡。

六、常見氣體在哪段測(cè)

選波長這件事，本質(zhì)上是給目標(biāo)氣體找一條既夠強(qiáng)、又不被別人干擾的譜線。常見氣體大致是這樣分布的。

甲烷和二氧化碳常在近紅外測(cè)，1.6 微米和 2.0 微米附近都有成熟譜線，用的是通信波段的成熟器件，成本友好。水汽在 1.4 微米附近有譜線，但它幾乎無處不在，往往是干擾項(xiàng)而不是測(cè)量目標(biāo)。

一氧化碳在近紅外的譜線很弱，想測(cè)低濃度通常得去中紅外——約 4.6 微米那一帶的吸收強(qiáng)得多，能到 ppb 級(jí)。代價(jià)是中紅外器件更貴，來源也沒近紅外那么豐富。

圖6：常見氣體在哪段測(cè)

近紅外的優(yōu)勢(shì)是器件便宜且成熟，可以直接用通信產(chǎn)業(yè)積累下來的光源與探測(cè)器；中紅外的優(yōu)勢(shì)是吸收強(qiáng)、靈敏度高，但器件成本與配套都要貴一截。選哪邊，取決于檢測(cè)限要求和預(yù)算。

表里的數(shù)字都是典型情況，具體現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有出入——干擾氣體、溫壓條件、光程長短都會(huì)影響，選型時(shí)最好以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。

七、總結(jié)

這套方法做的事說起來樸素：讓一束波長精確的光穿過氣體，看它被吃掉多少，再換算成濃度。

分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)落在紅外，能級(jí)離散于是有了尖銳譜線——位置定身份、深淺定濃度；

透過率遵循比爾-朗伯定律，吸光度與濃度、光程成正比，所以加長光程是提高靈敏度最-劃-算的路；

而微弱信號(hào)靠波長調(diào)制與二次諧波檢出，調(diào)制到高頻就躲開了低頻噪聲，這才夠得著 ppm 甚至 ppb。

有意思的是，這套系統(tǒng)里最費(fèi)心的往往不是激光器本身，而是氣室與標(biāo)定。光程做長了容易受污染和振動(dòng)影響，標(biāo)定做差了讀數(shù)就系統(tǒng)性偏——這兩處才是現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的大頭。

下次覺得測(cè)出來的數(shù)不對(duì)勁，不妨先查這幾樣：波長有沒有漂、窗口臟沒臟、溫度壓力補(bǔ)償開了沒有、標(biāo)定氣還準(zhǔn)不準(zhǔn)。多半就在這幾步里。