基于红外光谱技术的混合气体检测系统概述

第３４卷，第１０期 光谱学与光谱分析

Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１０，ｐｐ

２８５１－２８５７２　０　１　４年１　０月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１４　

基于红外光谱技术的混合气体检测系统概述

党敬民１，付　丽１，闫紫徽２，郑传涛１，常玉春１，陈　晨３＊，王一丁１＊

１．集成光电子学国家重点联合实验室，吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春　１３００１２２．清华大学自动化系，北京　１０００８４

３．吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春　１

３００２６摘　要　为了给从事红外混合气体检测领域的研究人员提供一定的借鉴与参考，针对红外混合气体检测系统中的光学复用结构以及检测方法进行了详细评述。目前，以量子级联激光器（ＱＣＬ）、带间级联激光器（ＩＣＬ）为代表的相干光源已逐渐取代热辐射红外光源、红外发光二极管（ＬＥＤ）

等传统非相干光源，成为红外混合气体检测中的主流光源。相应地，具有超高探测度和极短响应时间的红外光探测器也逐渐超越以往的红外热探测器，占据红外探测器领域的主导地位。基于“复用思想”的光学复用结构则是红外混合气体检测系统的核心，主要包括单光源复用检测结构和多光源复用检测结构。其中，单光源复用检测结构以其体积小、集成度高等优点成为构建便携式混合气体检测系统的重要选择；而多光源复用检测结构是时分复用、频分复用、波分复用等思想的具体化，并凭借其较宽的光谱覆盖范围、较高的光谱分辨率等优势成为当前混合气体检测系统中的主导结构。应用于红外混合气体检测的检测方法主要有非分光红外（ＮＤＩＲ）光谱技术、波长／频率调制光谱技术、腔增强光谱技术以及光声光谱技术等。研究人员可通过对红外混合气体检测系统各组成部分充分了解后，设计出实用的红外混合气体检测系统，对工农业生产、环境监测、生命科学等诸多领域都具有重要意义。

关键词　红外混合气体检测；红外光源；光学复用结构；红外光谱技术

中图分类号：Ｏ６５７．３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ

．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１４）１０－２８５１－０７　收稿日期：

２０１４－０３－１８，修订日期：２０１４－０８－１２　基金项目：国家科技支撑计划项目（

２０１３ＢＡＫ０６Ｂ０４，２０１４ＢＡＤ０８Ｂ０３）资助　作者简介：党敬民，１９８７年生，吉林大学电子科学与工程学院博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：ｄｊｉｎｇ

ｍ１２３＠１６３．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｃｃｈｅｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；ｗａｎｇｙｉｄｉｎｇ

４８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ引　言

近些年红外混合气体检测已广泛应用于诸多领域，包括

大气化学分析、工业过程控制、农业生产管理，城市环境质

量检测、生命科学研究等［

１，２］

。目前，世界上众多研究机构正致力于红外混合气体检测系统的研究工作，主要有美国Ｒｉｃｅ大学、Ｐｒａｎａｌｙ

ｔｉｃａ公司、澳大利亚ＭＱ光子研究中心等，国内主要有中北大学、安徽光机所等研究机构。然而，目前关于红外混合气体检测系统概述的文章很少，本文在此方面予以一定的补充。

首先根据光源的特性以及复用方法对应用于红外混合气体检测系统的一些典型光学结构归类并详细介绍。然后，对当前红外混合气体检测中几种主流的光谱检测技术分别进行阐述。最后，进行总结并展望。

１　光学复用结构

在基于红外光谱技术的混合气体检测中，光学复用结构

是检测系统的核心部分，它既是红外光传播的媒介，又是气体吸收红外光能的主要场所。近些年，光学复用结构不断革新，从光源的种类、数量以及光学复用的角度分析，以下两类结构极具代表性。

１．１　单光源复用检测结构１．１．１　单激光光源波长调谐检测结构

本结构通常由可调谐激光光源、透镜、光纤、气室、探测器等元件构成，目前主要有两种类型：

（１

）可调谐激光器波长调谐结构图１是德国Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ大学的Ｇａｂｒｙｓｃｈ等采用分布反馈激光器（ＤＦＢＤＬ）对ＣＯ和ＣＯ２两种气体同时进行检测的

典型结构［

３］

。

Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｔ－ｕｐ　

ｏｆ　ＣＯ　ａｎｄＣＯ２ｓ

ｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ 根据ＣＯ和ＣＯ２两种气体在泛频带（

１．５７８μｍ）的吸收特征，选择中心波长为１．５７８μｍ的ＤＦＢ激光器５Ｕ１５７８－Ｔ

Ｅ，它由低噪声恒流源以及高精度温度控制器控制，结合一个斜坡电流信号使激光器的发光波长周期性的扫过ＣＯ（６　３３４．４３ｃｍ－１）、ＣＯ２（６　３３４．４７ｃｍ－１）的吸收峰，以实现对两种气体的检测。该结构中，通过分束器将激光器发出的光分为两束，一束经过气室，另一束作为参考，形成差分结构。其中，参考光路能够提供背景信号，用于计算光谱吸收率。

（２

）联合激光光源波长调谐结构应用于红外混合气体检测领域的联合激光光源主要有差

频产生（ＤＦＧ）光源［４］和光学参量振荡器（ＯＰＯ）

［５］

。这里主要介绍基于ＤＦＧ光源的波长调谐结构。ＤＦＧ光源通常由泵浦源、信号源和周期性极化晶体［通常为铌酸锂晶体（Ｐ

ＰＬＮ）］构成［６］

，将近红外光谱调谐到中红外区。美国Ｒｉｃｅ量子研究

所的Ｐｅｔｒｏｖ等利用此类光源实现了对ＣＯ２，Ｎ２Ｏ和Ｃ

Ｏ三种气体的同时检测［７］

，图２是基于ＤＦＧ光源的光学结构

。

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＦＧ　ｌａｓｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ 从图２可知，该结构的泵浦源为可调外腔式激光器（ＥＣ－

Ｄ

Ｌ），Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器作为信号源，两束光经过合束后进入ＰＰＬＮ晶体，ＤＦＧ输出由ＣａＦ２透镜准直，并采用Ｇｅ滤波片将非线性转换剩余的近红外泵浦光去除，输出光束经二次反射后进入开放的气体环境，传播２～９ｍ后被空心角反射器反射，返回的光束经抛物面反射镜反射后由Ｈｇ

ＣｄＴｅ探测器采集。实验中，差频产生中红外光源的波长范围为３．９８～４．６２μｍ，以５０Ｈｚ的频率调节ＥＣ激光器，使差频产生光源

在８０ＧＨｚ的光谱范围逐个扫过ＣＯ２（２　２３５．９０ｃｍ－１）、Ｎ２Ｏ（２　

２３５．５０ｃｍ－１）和ＣＯ（２　１６９．２０ｃｍ－１）的吸收峰，以完成对上述三种气体的同时检测。

从以上两种结构可以看出，以可调谐激光器为核心的调谐结构具有结构简单，易于操作的优点，但其光谱调谐范围较窄，而联合激光光源构建的光谱调谐系统较复杂，但其光谱调谐范围更宽。目前可调谐激光器的最大光谱调谐范围仅

为４００ｃｍ－１［８］

，而联合激光光源的调谐波长能够覆盖２～１１μ

ｍ［９］

。受益于光纤技术，联合激光光源的结构更为简化，而且输出波长已经能达到１６．５μｍ［１

０］

。未来可调谐激光器将会向更宽光谱调谐范围方向发展，而联合激光光源将会向中远

红外方向发展。

１．１．２　单非相干光源同时检测结构

该种结构是ＮＤＩＲ光谱技术的核心，通常由谱线较宽的红外非相干光源、气室、滤光元件以及探测器等构成。其中，多滤光片分光结构和基于Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ分光仪（ＦＰＳ）的波长分时选择结构是两种典型结构，下面将分别介绍。

（１

）多滤光片分光结构中北大学的谭秋林等［１

１］，采用微机电系统（ＭＥＭＳ）技术将红外ＬＥＤ、探测器等集成于体积约为６　

０００ｍｍ３

的气室中，如图３所示

。

Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 其中，

ＬＥＤ的峰值波长为４．２μｍ，光谱范围约为２μｍ。根据ＣＨ４和ＣＯ２气体的吸收特性在探测器上集成了透射波长分别为３．３，３．９３和４．２６μｍ的滤光片作为滤光元件。实验中，光源光束经一次反射后由滤光片分为三束，其中一束反映ＣＨ４吸收后光强的变化，一束反映ＣＯ２吸收后光强的变化，另一束波长不在气体吸收波段（作为参考），然后同时被探测器集成的三个敏感元件响应，完成光电转换，并结合

后端信号处理电路，实现对ＣＨ４和ＣＯ２气体的同时检测。

（２

）基于ＦＰＳ的波长分时选择结构日本ＤＥＮＳＯ公司的Ｅｎｏｍｏｔｏ等，对此类检测结构进行

了研究［１

２］。ＦＰＳ是一种由反射镜等元件构成的谐振结构，其

谐振条件为λ＝２ｄ／ｍ，其中λ是入射光的波长，ｄ是镜片之

间的距离，ｍ为任意常数。ＦＰＳ只能透过在其内部产生谐振的特定波长的入射光，而波长选择是通过控制平行镜片之间的距离来实现的。基于ＦＰＳ的混合气体检测结构如图４所示。

光源及Ｆ

ＰＳ分别位于长度为０．０５ｍ气室的两端。红外２

５８２光谱学与光谱分析 第３４卷

Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ｗａｖｅｌｅｎｇ

ｔｈ　ｓｅｌｅｃｔｅｄａｐｐ

ａｒａｔｕｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＳ光经待测气体后，先通过滤光片滤除目标波长以外的光线，然后经ＦＰＳ完成波长选择，最后进入红外探测器。Ｅｎｏｍｏｔｏ等通过合理的分时控制镜片间距，实现了对Ｃ２Ｈ５Ｏ

Ｈ（吸收峰为３．３５μｍ）和ＣＯ２（吸收峰为４．２５μｍ）的同时检测。Ｅ

ｎｏｍｏｔｏ等设计的结构相比于谭秋林等提出的通用结构更加新颖，它以ＦＰＳ取代传统的滤光片，提高了波长的选择性，降低了能量损失，是未来发展的趋势。

总体而言，单光源复用检测结构具有体积小、集成度高等优点，这些特性是混合气体检测系统实现便携式的必须条件，但光程较短、单光源光谱覆盖范围窄等因素，限制了系统的检测灵敏度以及可检测气体的种类，在实际设计中应综合考虑。

１．２　多光源复用检测结构

多光源复用检测结构是当前混合气体检测系统中的主流结构，该结构是时分复用、频分复用、波分复用等思想的具

体化［

１

３］，通常依据所需检测气体的不同种类选择相应的多个激光光源，然后借助反射光学元件、光纤及其辅助器件等工具构建检测结构。下面介绍此类结构中较典型的两种。１．２．１　双激光器波分复用检测结构

哈佛大学与美国Ａｅｒｏｄｙｎｅ研究公司合作，研制出一款基于双ＱＣＬ的混合气体检测系统，能同时完成对ＣＨ４，Ｎ２Ｏ

和ＣＯ三种气体的探测［１

４］

。以下主要分析其双激光器波分复用检测结构，如图５所示

。

Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐ

ｔｉｃａｌ　ｍｏｄｕｌｅ　ｆｏｒｔｈｅ　ｄｕａｌ　ＱＣＬ　ｍｕｌｔｉ－ｇ

ａｓ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 根据ＣＯ，ＣＨ４和Ｎ２Ｏ的光谱吸收特征，分别选择波长

为４．６和７．８μｍ的ＤＦＢ－ＱＣＬ—ＱＣＬ１和ＱＣＬ２作为光源。从图５可以看出ＱＣＬ１的圆锥形光束经过史瓦西物镜后成为一柱平行光束，该光束与可视激光器发出的可见光束经二向色镜后合为一束红外光和可见光的混合光束，这束混合光束被球面反射镜一次反射后与ＱＣＬ２发出的经史瓦西物镜处理并通过二向色镜的红外光束结合，成为一束含有两种红外光束和一种可见光的新型混合光束。该混合光束被ＢａＦ２分光镜分成三束，其中一束直接进入多反射气室，被待测气体吸收后由探测器接收，一束经过装有高浓度待测气体的参考气室，用于将激光器的频率锁定在特定的吸收线；另外一束通

过标准具，以完成对激光器调谐率的测量。由于两个激光器是同时工作的，而且探测器一般选取响应波段较宽的红外Ｈｇ

ＣｄＴｅ探测器，因此能够达到对上述三种气体同时检测的目的。

双激光器波分复用检测结构的特点：（１）史瓦西物镜将Ｑ

ＣＬ发出的圆锥状光束汇聚成圆柱状平行光束，有利于多次反射；（２

）二向色镜、球面反射镜等反射光学元件能够实现最大程度的波长选择［１

４］；（３

）二向色镜、分光镜等光学元件对角度要求较严格，可以复用的激光器数量较少；（４）光学元件较多，导致光束的校准过程十分复杂，而且各光学元件易受温度因素影响，导致系统不稳定。

１．２．２　群激光器时分复用检测结构

美国Ｐｒａｎａｌｙｔｉｃａ公司的Ｐａｔｅｌ等在利用光声光谱法检测痕量气体方面进行了较为深入的研究，设计了一款能在２１ｓ内分时检测ＮＨ３、ＮＯ２、甲基膦酸二甲酯、Ｃ３Ｈ６Ｏ、乙二醇

等五种气体的检测系统［

１

５］。这里着重介绍该系统的群激光器时分复用检测结构，其原理如图６所示

。

Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　

ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ

从图６可以看出，该结构主要由三部分构成：Ｑ

ＣＬ及其控制模块、反射镜阵列、扫描振镜系统。整个光学结构是依“时分复用”思想设计的，各激光器在不同的时隙内高效、有序的工作。扫描振镜的小步长阶跃响应时间为５００μｓ

，使得从一路激光器到另一路的切换时间小于１ｓ

，从而使整个复用过程占用较短时间。各ＱＣＬ发出的光束先经平行准直处

理，然后被反射镜（Ｍ１～Ｍ５）

反射，沿着不同的路径到达扫描振镜上的同一点，适当控制扫描振镜的旋转角度，可以使

３

５８２第１０期 光谱学与光谱分析

不同波长的光束经扫描振镜反射后沿同一光学路径传播。通

过结合“动态指向校正法”［１

５］补偿因光学元件不稳定等因素

产生的光束偏移，使不同波长的光束能够结合比较长的时间。实际中该方法能够使光束对齐到１０μｒａｄ以内，而且具

有较快的校正速度（＜１

０ｍｓ）。群激光器时分复用检测结构的特点：（１）使用较少的光学元件，光损耗较小；（２）时分复用方法极大地增加了可复用激光器的数量；（３）激光器之间存在串扰的隐患。所以在设计中应优化复用算法，避免串扰产生。

采用球面反射镜、二向色镜、分光镜等光学元件构成的双激光器波分复用检测结构较为复杂而且受二向色镜、分光镜等光学元件角度要求的限制，可以复用的激光器不多。这种结构将被群激光器时分复用检测结构所取代，因为后者不仅简化了光学结构，而且极大地增加了可复用激光器的数量，从而拓宽了光谱覆盖范围，满足同时对更多种类气体检测的要求，群激光器时分复用结构是未来混合气体检测的趋势。

２　红外光谱检测技术

根据光能变换过程的差别，可以将红外光谱检测技术分

为两种：直接检测和间接检测。

２．１　直接检测

直接检测指红外光被气体吸收后，剩余的光能被探测器响应并经一系列变换、处理，最终求得气体参数的过程。直接检测技术主要包括ＮＤＩＲ光谱技术、波长／频率调制光谱技术、腔增强光谱技术等。

２．１．１　ＮＤＩＲ光谱技术

ＮＤＩＲ光谱技术中采用宽带光源，通过选择不同中心波长和带宽的滤光元件得到与气体吸收特性匹配的近似单色光，然后直接被探测器探测，其原理如图７所示

。

Ｆｉｇ．７　Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＮＤＩＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

探测器通常集成了滤光元件，包括作用通道和参考通

道，作用通道输出的信号分别与参考信号进行一定的运算，以消除光源、探测器不稳定以及外界干扰等因素带来的影响。光源的选择与控制、滤光元件参数的选取以及光源与探测器的匹配程度等问题，在ＮＤＩＲ光谱技术中都是值得深入研究的。Ｄａｎｉｌｏｖａ等在实验中已经证明，适当降低驱动电流

脉冲占空比可以提高光源发光效率［

１

６］。而合理选取滤光元件，有利于确定气体吸收的最优参数。为了避免红外热光源在调制频率较低（小于１０Ｈｚ）的情况下带来的１／ｆ噪声，选取高调制频率的ＬＥＤ光源和具有低时间常数的探测器，可

以提高整个系统的检测速度，降低噪声［

１７］

。另外，适当应用一些软件滤波算法也可以降低噪声，提高检测灵敏度［

１

８］。总体而言，基于ＮＤＩＲ光谱技术的混合气体检测系统结构简

洁、系统稳定度高，但其检测限（最小检测吸收系数ＭＤＡＬ）

相对较高，一般为１０－６～１

０－３　ｃｍ－１·Ｈｚ－１／２量级，主要用于矿井安全监测、工农业生产等不要求较高灵敏度的场合。２．１．２　波长／频率调制光谱技术

波长调制和频率调制光谱技术以其高灵敏度、高选择性等特点在红外混合气体检测领域得到了广泛的应用。图８为两种技术常用的实验装置

。

Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｔ－ｕｐ　

ｏｆｌａｓｅｒ　ｂａｓｅｄ　ＷＭＳ　ａｎｄ　

ＦＭＳ 在波长调制和频率调制光谱技术中，采用交变的正弦信

号对激光器的波长进行调制，来充当抖动的吸收特征［

１

７］，并结合周期性斜坡信号，使被调制的光线与气体吸收线相互作用，从而产生与调制信号频率一致的探测信号。两种光谱技术是根据调制信号频率的高低划分的，波长调制光谱技术的调制频率在１～１００ｋＨｚ范围内，远小于激光器数ＭＨｚ到数百ＭＨｚ的谱线半宽。其固有灵敏度受激光器幅度１／ｆ噪声

影响［

１

９］，通常采用锁相放大器结合谐波检测理论来降低噪声进而提高信噪比。其中，谐波检测的理论模型已经被Ｒｅｉｄ

等详细阐述了［

２

０］，而可恢复的最高谐波频率则受探测器的响应时间及锁相放大器可操作频率的影响，波长调制光谱技

术一般能够实现对气体体积分数为１０

－６

量级的探测。相比而言，频率调制光谱技术的调制频率在广播频率范围，一般为数百ＭＨｚ。如此高的调制频率能够显著降低１／ｆ

噪声，实验证明，调制频率从２ＭＨｚ增加到２００ＭＨｚ

，系统信噪比能够提高好几个数量级［

２

１］。但随着频率的增加，测量对光路微小变化更加敏感，所以该技术没有波长调制光谱技

术稳定。通常要求具有低响应时间的探测器以及能够产生高频调制信号的信号发生装置，由于当前商用锁相放大器的最大操作频率约为１００ｋＨｚ

，一般不采用其对探测器的输出信号进行提取，而采用高频相敏检波等方法进行分析［

２

２］，频率调制光谱技术的检测灵敏度可达１０－７～１０－８　ｃｍ－１　

Ｈｚ－１／２量级［

２３］

。当前波长调制和频率调制光谱技术已经实现了同时对多

种气体的探测［

２４］

，而且可以对气体浓度、温度、流速等多种参量进行监测［２

５］。随着计算机和ＭＥＭＳ等技术的不断发展，

基于波长调制和频率调制光谱技术的检测系统将会向着便携式、低功耗的“

板级”系统方向发展。２．１．３　腔增强光谱技术

Ｏ’Ｋｅｅｆｅ等将腔增强光谱技术应用于分子光谱领域［２６］

，从而开创了利用腔增强光谱技术进行气体检测的先河。通常

４

５８２光谱学与光谱分析 第３４卷

腔增强光谱技术可以分为衰荡腔光谱技术（ＣＲＤＳ）和腔增强吸收光谱技术（Ｃ

ＥＡＳ）两种。Ｐａｌｄｕｓ等已经对两种光谱技术的理论进行了详细推导［

２

７］，这里主要介绍腔增强技术扩展有效光程的特性，Ｆｌｏｒｉａｎ等给出了有效光程的表达式［２

８］见

式（１

）Ｌｅ

ｆｆ＝βＬ１－Ｒ

（１）其中Ｌｅｆｆ为有效光程长度，β为光腔耦合参数，Ｌ为腔长，Ｒ为镜面反射率。凭借先进的镀膜技术，Ｒ已能达到

９９．９９９％，这样有效光程能实现１０５

量级的增加，同长光程光谱技术相比（光程一般增加１０２～１０３

量级），灵敏度至少增加１０倍［２

７］

。当前，腔增强光谱技术已广泛应用于医疗诊断、反恐防恐以及生命科学等领域，而且经过不断发展和改进，逐渐形成了离轴积分腔输出光谱（ＯＡ－ＩＣＯＳ）技术、宽带腔增强吸收光谱（ＢＢ－ＣＥＡＳ）技术、光反馈腔增强吸收光谱（ＯＦ－ＣＥＡＳ）技术、噪声免疫腔增强光外差光谱（ＮＩＣＥ－ＯＨＭＳ）技术等，而这些技术的目的在于提高光源与谐振腔的耦合效率，降低

光源噪声，其的检测灵敏度在１０－８～１

０－１２　

ｃｍ－１·Ｈｚ－１／２量级。

２．２　间接检测

与上述直接检测方法相比，

光声光谱技术是一种间接检

Ｆｉｇ

．９　Ｔｈｅ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　

ｍｉｃｒｏｃｏｓｍｏｓ测技术，就宏观而言，该技术没有直接反映光能的变化，而是经历了光能－热能－声能的转换过程，这个过程如图９所示。 为了增强声信号，不同的声学谐振系统已经被开发并应

用于气体检测中［２

９］。Ｋｏｓｔｅｒｅｖ等对声信号的增强原理进行

了详细的推导［３

０］，如式（２

）所示Ｓ＝ξｋ（λ）ｃｌＩ（λ）ＱｆＶ＝ξ

ｋ（λ）ｃＩ（λ）Ｑｆ

Ａ（２）其中ｋ（λ）为与波长相关的气体吸收系数，Ｃ是气体浓度，Ｉ（λ）为入射光功率，Ｑ为谐振系统的品质因数，ｆ为调制频率，Ｖ为谐振系统的体积，Ａ为谐振系统的横截面积，ξ为系统参数。总结为以下几点：首先，输出信号正比于气体吸收系数以及入射光功率，因而提高光源的光功率可以提高信噪

比，从而提高检测灵敏度［

３

１］。其次，输出信号正比于待测气体浓度，而且具有高达五个数量级的线性度，因此能够实现

较宽动态范围［３

２］的检测。另外，光程对于输出信号几乎没有影响，谐振系统能够实现很小的体积（１ｍｍ

３）［３

０］。虽然光声光谱技术具有以上优势，但对背景噪声的敏感性是其明显不足。通常可以提高光源调制频率来降低背景噪声的影响，但输出信号与调制频率的反比特性又制约了频率的增加，所以应合理地选择调制频率。此外，气体入口等背景噪声源应处

于波节处，以实现最大程度的噪声抑制［３

３］。Ｋｏｓｔｅｒｅｖ等利用

基于石英音叉的石英增强型光声光谱技术（ＱＥＰＡＳ）

极大地限制了背景噪声［３

４］。为了提高检测灵敏度，Ｋ

ｏｓｋｉｎｅｎ等采用微型硅悬臂梁替代麦克风，并采用差分方式抑制背景噪声，

在检测ＣＯ２时量化噪声等效灵敏度达到１０－１０　

ｃｍ－１·Ｗ·Ｈ

ｚ－１

／２量级［３５］。目前，光声光谱技术的检测灵敏度在１０－５～１０－１０　

ｃｍ－１·Ｈｚ

－１／２量级，并将继续以其较宽的动态检测范围、较易实现微型化以及较高的检测灵敏度等优势，在生产检测、环境监测、医学诊断等领域发挥重要的作用。

以上分析了红外混合气体检测中常用的检测方法，着重评述了其特点、性能等，表１为其光源、探测器、检测限以及应用等方面的简要对比。　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｉｎ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ光谱技术

光源

探测器

检测限／（ｃ

ｍ－１·Ｈｚ－１／２）主要应用

Ｎ

ＤＩＲ光谱技术热辐射红外光源、红外

ＬＥＤ

热释电探测器、热电堆

探测器

１

０－３～１０－６环境污染检测［

１１］、工业安全监测［１

２］等波长／频率调制光谱技术ＤＦＢＤＬ、垂直腔面发射激光（ＶＣＳＥＬ）、（ＥＣＤＬ）ＰｂＳ探测器、Ｈｇ

ＣｄＴｅ探测器１０－６～１０－９过程控制［

２５］、生物医学研究［３

６］等腔增强光谱技术红外ＬＥＤ，ＱＣＬ

ＰｂＳｅ探测器、Ｉ

ｎＳｂ探测器

１０－４

～１０－１

２反恐防恐［３７］、医疗诊断［２８］等光声光谱技术

红外ＬＥＤ，ＤＦＢＤＬ，ＱＣＬ

ＩｎＳｂ探测器、Ｐ

ｂＳ探测器１

０－５～１

０－１

０生产检测［３８］、环境监测［１５］等

３　总结与展望

主要介绍单一系统对混合气体的同时检测。基于时分、

频分以及波分复用思想的光学结构是红外混合气体检测系统的核心。单光源复用检测结构具有体积小、集成度高等优点，但单一光源覆盖的光谱范围较窄，能够检测气体的种类

有限。而多光源复用检测结构极大地增加了可复用光源的数

量，从而拓宽了光谱覆盖范围，满足同时对更多种类气体检测的要求。由于红外光谱检测技术各具特色，在构建混合气体检测系统时不应拘泥于某种单一的光谱技术，可以结合使用以实现最佳的性能。

近些年，红外混合气体检测系统的光谱覆盖范围、光谱分辨率、系统响应时间等特性逐步改善。当前，太赫兹

５５

８２第１０期 光谱学与光谱分析

（ＴＨ

ｚ）等新技术使混合气体检测的范围扩展到亚毫米波范围，从而使混合检测步入新阶段（凝聚态物质和生物大分子），混合气体检测将围绕ＴＨｚ技术的应用展开，不仅对气体的浓度进行检测，还将对其结构、性质等做进一步分析。与此同时，红外成像技术（ＣＣＤ成像、多色探测等）和通信技术（中红外光纤通讯、无线通讯等）等其他领域中成熟的技术，将有助于混合气体检测系统进行更广泛的信息摄取。未来数年，混合气体检测所产生的数据量将会呈爆炸式增长趋势，而目前兴起的大数据处理技术会成为其有效的应对方案。然而，实现多种气体的同时分析必然导致系统的复杂

化，设计成本的增加，如何降低系统复杂度，降低成本，实现便携式以至于微型化的“芯片”级设计，是将来迫切需要解决的问题。总之，基于红外光谱技术的混合气体检测系统是气体检测的趋势，必将在环境科学（污染物检测、全球气候监测等）、工农业生产（农作物生长监控、石油化工检测等）、生命科学与生物医学（癌症诊断、皮肤光谱分析等）、自然灾害预警（火山爆发、海啸预警等）、国家安全（爆炸物检测、毒品检测等）、太空探索（火星探索、星际分子分析等）等气体检测领域中扮演重要的角色。

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

［１］　Ｔｉｔｔｅｌ　Ｆ　Ｋ，Ｄｏｎｇ　Ｌ，Ｌｅｗｉｃｋｉ　Ｒ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａｓｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ／Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｒｉｍ．Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，２０１１，Ｃ５９．［２］　Ｃｒｉｓｔｅｓｃｕ　Ｓ　Ｍ，Ｐｅｒｓｉｊｎ　Ｓ　Ｔ，ｔｅ　Ｌｉｎｔｅｌ　Ｈｅｋｋｅｒｔ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，２００８，９２（３）：３４３．［３］　Ｇａｂｒｙｓｃｈ　Ｍ，Ｃｏｒｓｉ　Ｃ，Ｐａｖｏｎｅ　Ｆ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，１９９７，６５（１）：７５．［４］　Ｐｉｎｅ　Ａ　Ｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　

ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，１９７４，６４（１２）：１６８３．［５］　Ｓｍｉｔｈ　Ｒ　Ｇ，Ｇｅｕｓｉｃ　Ｊ　Ｅ，Ｌｅｖｉｎｓｔｅｉｎ　Ｈ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ

ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９６８，１２（９）：３０８．［６］　Ｆｉｓｃｈｅｒ　Ｃ，Ｓｉｇｒｉｓｔ　Ｍ　Ｗ．Ｍｉｄ－ＩＲ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｂｅｒｌｉｎ　Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，２００３．９９．［７］　Ｐｅｔｒｏｖ　Ｋ　Ｐ，Ｃｕｒｌ　Ｒ　Ｆ，Ｔｉｔｔｅｌ　Ｆ　Ｋ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，１９９８，６６（５）：５３１．［８］　Ｃａｐａｓｓｏ　Ｆ．Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

，２０１０，４９（１１）：１１１１０２．［９］　Ｖｏｄｏｐｙａｎｏｖ　Ｋ　Ｌ，Ｌｅｖｉ　Ｏ，Ｋｕｏ　Ｐ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００４，２９（１６）：１９１２．［１０］　Ｈｅｇｅｎｂａｒｔｈ　Ｒ，Ｓｔｅｉｎｍａｎｎ　Ａ，Ｓａｒｋｉｓｏｖ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１２，３７（１７）：３５１３．［１１］　Ｔａｎ　Ｑ，Ｚｈａｎｇ　Ｗ，Ｘｕｅ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｐｔｉｃｓ　＆Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

，２００８，４０（５）：７０３．［１２］　Ｅｎｏｍｏｔｏ　Ｔ，Ｔａｎｅｍｕｒａ　Ｔ，Ｙａｍａｓｈｉｔａ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｕｌｔｉ－Ｇａｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｂｙ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｍｅｔｅｒ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｂｅｒｌｉｎ　Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，２０１３．６１１．［１３］　Ｆｒｉｓｈ　Ｍ　Ｂ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｌａｓｅｒｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，１９９９．３２．［１４］　Ｊｉｍｅｎｅｚ　Ｒ，Ｈｅｒｎｄｏｎ　Ｓ，Ｓｈｏｒｔｅｒ　Ｊ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，２００５，５７３８：３１９．［１５］　Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ　Ａ，Ｐｒａｓａｎｎａ　Ｍ，Ｌａｎｅ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐ

ｔｉｃｓ，２００８，４７（２７）：４８８４．［１６］　Ｄａｎｉｌｏｖａ　Ｔ　Ｎ，Ｚｈｕｒｔａｎｏｖ　Ｂ　Ｅ，Ｉｍｅｎｋｏｖ　Ａ　Ｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００５，３９（１１）：１２３５．［１７］　Ｈｏｄｇｋｉｎｓｏｎ　Ｊ，Ｔａｔａｍ　Ｒ　Ｐ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，２４（１）：０１２００４．［１８］　Ｙｅ　Ｗ　Ｌ，Ｚｈｅｎｇ　Ｃ　Ｔ，Ｙｕ　Ｘ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，２０１１，１５５（１）：３７．［１９］　Ｕｅｈａｒａ　Ｋ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ：Ｌａｓｅｒｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９９８，６７（４）：５１７．［２０］　Ｒｅｉｄ　Ｊ，Ｌａｂｒｉｅ　Ｄ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，１９８１，２６（３）：２０３．［２１］　Ｗｅｒｌｅ　Ｐ，Ｓｌｅｍｒ　Ｆ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐ

ｔｉｃｓ，１９９１，３０（４）：４３０．［２２］　ＳＵＮ　Ｙｉ，ＴＡＮ　Ｔｕ，ＧＡＯ　Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ（孙　义，谈　图，高晓明）．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ（应用光学），２００８，２９（２）：２５７．［２３］　Ｃａｒｌｉｓｌｅ　Ｃ　Ｂ，Ｃｏｏｐｅｒ　Ｄ　Ｅ，Ｐｒｅｉｅｒ　Ｈ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９８９，２８（１３）：２５６７．［２４］　Ｃａｉ　Ｔ，Ｗａｎｇ　Ｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｗ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１２，４５（８）：２０８９．［２５］　Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ　Ａ　Ｄ，Ｈｏｕｗｉｎｇ　

Ａ　Ｆ　Ｐ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，２００５，４４（３１）：６６５３．［２６］　ＯＫｅｅｆｅ　Ａ，Ｄｅａｃｏｎ　Ｄ　Ａ　Ｇ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９８８，５９（１２）：２５４４．［２７］　Ｐａｌｄｕｓ　Ｂ　Ａ，Ｋａｃｈａｎｏｖ　Ａ　Ａ．Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙ

ｓｉｃｓ，２００５，８３（１０）：９７５．［２８］　Ａｄｌｅｒ　Ｆ，Ｔｈｏｒｐｅ　Ｍ　Ｊ，Ｃｏｓｓｅｌ　Ｋ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１０，３：１７５．［２９］　Ｍｉｋｌóｓ　Ａ，Ｈｅｓｓ　Ｐ，Ｂｏｚóｋｉ　Ｚ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００１，７２（４）：１９３７．［３０］　Ｋｏｓｔｅｒｅｖ　Ａ　Ａ，Ｓｅｒｅｂｒｙａｋｏｖ　Ｄ　Ｖ，Ｍａｌｉｎｏｖｓｋｙ　Ａ　Ｌ，ｅｔ　ａｌ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００５，７６（４）：０４３１０５．［３１］　Ｐｕｓｈｋａｒｓｋｙ　Ｍ　Ｂ，Ｗｅｂｂｅｒ　Ｍ　Ｅ，Ｐａｔｅｌ　Ｃ　Ｋ　Ｎ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ，２００３，７７（４）：３８１．［３２］　Ｓｃｈｍｏｈｌ　Ａ，Ｍｉｋｌóｓ　Ａ，Ｈｅｓｓ　Ｐ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐ

ｔｉｃｓ，２００２，４１（９）：１８１５．［３３］　Ｓａａｒｅｌａ　Ｊ，Ｓｏｒｖａｊ ｒｖｉ　Ｔ，Ｌａｕｒｉｌａ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１１，１９（１０４）：Ａ７２５．［３４］　Ｋｏｓｔｅｒｅｖ　Ａ　Ａ，Ｂａｋｈｉｒｋｉｎ　Ｙ　Ａ，Ｃｕｒｌ　Ｒ　Ｆ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，２７（２１）：１９０２．［３５］　Ｋｏｓｋｉｎｅｎ　Ｖ，Ｆｏｎｓｅｎ　Ｊ，Ｒｏｔｈ　Ｋ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ

ｓｉｃｓ　Ｂ，２００７，８６（３）：４５１．［３６］　Ｓｈｏｒｔｅｒ　Ｊ　Ｈ，Ｎｅｌｓｏｎ　Ｄ　Ｄ，ＭｃＭａｎｕｓ　Ｊ　Ｂ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２０１０，１０（１）：７６．［３７］　Ｔｏｄｄ　Ｍ　Ｗ，Ｐｒｏｖｅｎｃａｌ　Ｒ　Ａ，Ｏｗａｎｏ　Ｔ　Ｇ，ｅｔ　ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ

ｓｉｃｓ　Ｂ，２００２，７５（２－３）：３６７．［３８］　Ｓｃｈｉｌｔ　Ｓ，Ｔｈéｖｅｎａｚ　Ｌ，Ｎｉｋｌèｓ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ　Ｐａｒｔ　Ａ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ａｎｄ　Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ

，２００４，６０（１４）：３２５９．６

５８２光谱学与光谱分析 第３４卷

Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｍｉｘｅｄ　Ｇａｓ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃＴｅｃｈｎｉｑ

ｕｅＤＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ｍｉｎ１，ＦＵ　Ｌｉ　１，ＹＡＮ　Ｚｉ－ｈｕｉ　２，ＺＨＥＮＧ　Ｃｈｕａｎ－ｔａｏ１，ＣＨＡＮＧ　Ｙｕ－ｃｈｕｎ１，ＣＨＥＮ　Ｃｈｅｎ３＊，ＷＡＮＧ　Ｙｉ－ｄｉｎｇ１

＊

１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　

ｏｎ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００１２，Ｃｈｉｎａ

２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

　１０００８４，Ｃｈｉｎａ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇ

ｃｈｕｎ　１３００２６，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ｗｈｏ　ａｒｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　

ｏｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＩＲ）ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃ－ｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｗｏ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｆｏｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ｆｉｅｌｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｗｈｏｓｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ａｒｅ　ｑ

ｕａｎｔｕｍ　ｃａｓｃａｄｅ　ｌａｓｅｒ（ＱＣＬ）ａｎｄ　ｉｎｔｅｒ－ｂａｎｄ　ｃａｓｃａｄｅ　ｌａｓｅｒ（ＩＣＬ）ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　ＩＲ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｎｏｎ－ｃｏｈｅｒ－ｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ＩＲ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ＩＲ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　

ｄｉｏｄｅ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｓｕｐｅｒ　ｈｉｇｈｄｅｔｅｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｅｒｙ　ｓｈｏｒｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｂｅｙｏｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｄｏｍｉｎａｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　

ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ＩＲ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｕｌｔｉ－ｐｌｅｘｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ｓｉｎｇｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｉｔ　ａ　ｐｌａｕｓｉｂｌｅ　ｃａｎｄｉｄａｔｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐ

ｏｒｔａｂｌｅ　ｍｉｘｅｄｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｍｕｌｔｉ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　

ａｎｄ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ａｎｄ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃ－ｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｗｉｄｅｒ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒａｎｇｅ，ｈｉｇｈｅｒ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ＩＲ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅ－ｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｎｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＮＤＩＲ）ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ

，ｃａｖｉｔｙ－ｅｎ－ｈａｎｃｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ＩＲ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ａｆｔｅｒ　ｒｅｃ－ｏｇｎｉｚｉｎｇ　

ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｐｌａｙ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｎｄ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｅｎｖｉ－ｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｔｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＩＲ　ｍｉｘｅｄ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＩＲ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＩＲ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｍａｒ．１８，２０１４；ａｃｃｅｐｔｅｄ　Ａｕｇ

．１２，２０１４） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　

ａｕｔｈｏｒｓ７

５８２第１０期 光谱学与光谱分析