甲烷是地球大氣中僅次于水蒸氣和二氧化碳的第三大溫室氣體，由于人類活動，其濃度一直在穩(wěn)步增加。減少甲烷排放至關(guān)重要，因為甲烷對當(dāng)前全球變暖的貢獻約為25%。目前已開發(fā)了許多傳感技術(shù)來減少甲烷排放。

吸收光譜可以在多種系統(tǒng)中提供定量、非侵入式的氣體測量。目前已經(jīng)開發(fā)出許多激光吸收傳感器用于氣體傳感應(yīng)用中的甲烷檢測。這些傳感器是針對甲烷吸收光譜的中紅外和近紅外區(qū)域開發(fā)的。直接吸收和光聲技術(shù)已被用于開發(fā)大氣甲烷傳感器，這種傳感器使用分布反饋式（DFB）二極管激光器，其工作在1.6 μm附近的近紅外波段（對應(yīng)于甲烷的2v?帶）。

基于非線性光學(xué)的差頻產(chǎn)生（DFG）系統(tǒng)非常復(fù)雜且功率低。量子級聯(lián)激光器（QCL）和帶間級聯(lián)激光器（ICL）更加具有緊湊性、魯棒性和用戶友好性，并在甲烷檢測方面受到了廣泛關(guān)注。然而，以前的傳感策略并沒有設(shè)計成在存在來自其他物質(zhì)的強烈吸收干擾的情況下檢測甲烷。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）開發(fā)了一種基于中紅外激光器的氣體傳感器，用于逸散性甲烷排放的量化檢測。該傳感器是基于工作在3.3μm附近的分布式反饋帶間級聯(lián)激光器設(shè)計的。利用倒譜分析進行波長調(diào)諧，以將甲烷吸光度與（1）基線激光強度的波動和（2）干擾物質(zhì)的吸光度區(qū)分開。該傳感器的最低檢測限（MDL）約為?110 ppm，這可以通過光學(xué)腔來改善。所提出的傳感策略可用于在惡劣環(huán)境中以及在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中存在干擾物質(zhì)的情況下測量甲烷泄漏。

在本研究中，所開發(fā)的氣體傳感器使用了分布式反饋帶間級聯(lián)激光器，發(fā)射波長接近3.3 μm，輸出功率約為?1 mW。兩個ZnSe窗口安裝在10 cm的氣體采樣室上。傳輸信號由DC耦合的TE冷卻光電探測器收集。通過1kHz掃描速率下激光注入電流的線性斜坡將激光波長調(diào)諧在3037-3039.5 cm?1范圍內(nèi)，并使用7.62 cm鍺法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具將掃描時間轉(zhuǎn)換為頻率（波數(shù)）。

甲烷傳感器的光學(xué)示意圖

研究人員使用改進的自由感應(yīng)衰減（m-FID）信號從測量的透射激光強度中推測甲烷濃度。在倒譜分析中，大多數(shù)分子響應(yīng)都不受基線強度的影響。m-FID信號未受影響的部分可以通過最小二乘法擬合到已知模型，以獲得氣體濃度。

流程圖：m-FID信號的最小二乘擬合以推測甲烷濃度

研究人員對空氣中甲烷和苯的各種混合物進行了測量。通過仔細選擇掃描指數(shù)（激光調(diào)諧范圍與光譜線寬之比）以及m-FID信號擬合的初始和結(jié)束時間，可以在具有代表性的干擾物質(zhì)苯的存在下對甲烷進行精確測量。所開發(fā)的傳感器在T=23℃和P=1 atm時的MDL約為110 ppm，可用于測量環(huán)境條件下的甲烷濃度。通過使用更長的光學(xué)單元、多通道單元或光學(xué)腔來增加激光路徑長度，可將MDL降低幾個數(shù)量級。

通過m-FID方法和傳統(tǒng)方法測量的甲烷濃度的比較。在實驗條件下，最低檢測限為110ppm。

基于吸收光譜的激光傳感器已被開發(fā)用于無干擾和無基線的甲烷濃度測量。該技術(shù)使用倒譜分析生成m-FID信號，能夠?qū)⒓淄槲舛扰c苯吸光度和基線激光強度分離開來。激光器在2.5 cm?1范圍內(nèi)調(diào)諧，掃描指數(shù)約為10，透射的激光強度與時域中模擬的甲烷吸收信號進行最小二乘擬合，以推測甲烷濃度。擬合窗口被限制在10-70 ps，以避免干擾和基線強度的影響。在T=23℃和P=1 atm時，該傳感器的最低檢測限約為110 ppm，可用于測量環(huán)境條件下的甲烷濃度。在惡劣環(huán)境中，該技術(shù)大大減少了基線強度校正的需要，其可能會引入顯著的誤差，并且該技術(shù)還充分考慮了寬帶吸收干擾。

審核編輯：劉清