量子级联激光器是一种新型的红外相干光源。 利用量子理论与带隙工程, 量子级联激光器可实现3 μm到100 μm波长范围内的任意输出波长。 由于大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段, 而中红外量子级联激光器具有功率高、 线宽窄、 扫描速度快等独特的优点, 因此, 基于量子级联激光器的红外光谱技术已成为气体检测技术的研究热点。 尤其是, 近年来室温激光器性能得到不断的完善, 输出功率和电光转换效率得到了极大的提高, 这在很大程度上推动了红外激光光谱技术的迅速发展。 本文根据工作原理, 分别介绍了基于直接吸收谱检测、 相位调制光谱检测、 光声调制光谱检测和法拉第旋光效应光谱检测的量子级联激光器红外光谱检测技术, 并对其实现方法和应用情况进行了介绍。

针对选用分布反馈激光二极管(DFB LD)作为激励光源的光声气体检测系统，首先分析了温度和注入电流 对激光稳定性(包括激射波长和输出光功率)的影响。然后提出了一种蝶形封装的DFB LD在光声甲烷检测系 统中的应用方案。实验结果表明，该方案的温控系统和波长调制驱动模式可以产生稳定可靠的光声信号，具 有一定的参考价值。最后根据现有蝶形DFB LD封装在光声气体检测系统中后存在的缺点，探讨了激光耦合 输出方式的改进构想。

首先介绍了波长调制光谱检测技术的原理，并分析了甲烷在1654 nm波长处的一次谐波频 谱特性。然后分析了低通滤波器对波长调制光谱中一次谐波的影响，并给出了低通滤波器截止频率的选择范围。 最后设计了模拟锁相放大器，其采用的二阶低通有源滤波器在滤波性能上比传统的RC低通滤波器有较大的提升。 实验结果表明，经过优化的锁相放大器能够满足光声信号一次谐波检测的快速、高精度要求。

工作环境是光声光谱气体检测系统在工业现场应用的重要影响因素。 实验发现, 待测气体湿度对电容式微音器灵敏度影响显著, 导致现有光声光谱气体检测系统测试结果漂移。 文章提出一种气体湿度影响消除方法, 在光声腔中安装扬声器, 以扬声器信号幅值作为声感应器件灵敏度的自适应表征, 对光声信号幅值作自行修正, 有效克服电容式微音器声信号检测中灵敏度变化的问题。 基于该方法, 利用半导体激光器、 共振光声腔和锁相放大器构建了一套光声光谱实验装置, 对不同湿度的样本进行了对比测试, 实验结果表明该方法切实可行, 能有效消除气体湿度对光声光谱检测系统的影响, 增强了检测系统的环境适应性。