车间里的空气看上去和平时没什么两样，没有烟，没有雾，也闻不出异味。可墙上的气体检测仪偏偏亮起提示：二氧化碳浓度在升高。

仪器没有眼睛。就算有，也看不见无色透明的气体。它能做出判断，靠的是另一条线索：光穿过空气以后，少了一点什么。很多光学气体检测设备的工作方式就是这样。它们不去“拍”气体本身，而是盯着一束红外光，看它在路上被谁拿走了哪一部分。

01透明，只是对眼睛而言

我们说一种气体“透明”，意思是它几乎不吸收可见光。可见光只是电磁波谱里很窄的一段，换到红外波段，情况就不一样了。

二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子组成。原子之间的化学键像弹簧，会伸缩，也会弯曲，每一种振动方式都对应着特定的能量台阶。一个红外光子的能量恰好等于某个允许的振动能级差时，分子就可能把它吸收，进入更高的振动能级。能量对不上的光，大多直接穿过去。

图 01｜CO₂ 分子的不对称伸缩振动与红外吸收（原理示意，非实测数据）

这有点像钥匙和锁，只有齿形对得上的钥匙才转得动。锁的样子由分子自己决定：原子有多重，化学键有多“硬”，分子是什么形状。不同分子的这套组合各不相同，能吸收的波长也就各有各的分布。把这些吸收带画在光谱上，就成了人们常说的气体“光谱指纹”。

在常见的中红外气体检测中，几个代表性的吸收区域是：二氧化碳约 4.26 μm，甲烷约 3.3 μm，一氧化碳约 4.65 μm。这些只是检测中常用的位置。每种气体在别的波段也可能有吸收，附近波段也可能混进其他气体的吸收。

图 02｜CH₄、CO₂、CO 的代表性中红外吸收波段；曲线为示意，非实测数据

也有一些气体不太吃这一套。氮气、氧气这类由两个相同原子组成的分子，振动时不产生电偶极矩变化，因此不具有通常用于 NDIR 检测的强红外基频吸收。它们在常见的红外气体检测通道中，通常不像二氧化碳那样形成明显的吸收特征。这不等于它们在任何条件下都绝对不吸收红外光。

02光走了一段路，少了多少？

最简单的检测结构，可以想成一段密闭的检测腔。一端是红外光源，另一端是探测器，待测气体从中间流过。目标气体浓度较低时，探测器收到的信号可作为基准；当能够吸收这一波段的分子增多，一部分光就在路上被吸收，到达探测器的光强随之下降。

下降多少，取决于两件事：光路里有多少吸收分子，以及光在气体里走了多远。比尔–朗伯定律描述的就是这个关系：在单色光、均匀介质等理想条件下，透过光强随“浓度 × 光程”按指数规律衰减，吸光度则与浓度和光程成正比。实际使用宽带光源和滤光片时，还要考虑光谱积分、光源分布和探测器响应等因素。仪器依靠这些关系与标定数据，把光强变化换算成浓度。

所以同样浓度的气体，光程越长，吸收造成的信号变化通常越明显。测低浓度时，设计者常会想办法把光路拉长或折叠。但光程并非越长越好。浓度较高时，强吸收波段可能接近完全吸收，信号变化变得难以分辨；实际宽带检测的有效量程和信噪比因此受到限制。光路变长还会带来体积增大、光能损失等问题。光程取多长，要结合量程、光源强度、探测器噪声和精度要求一起权衡。

03那片滤光片在挑什么光？

还有一个问题没解决。常用的红外光源多是热辐射光源，发出的是一大片连续波段。常用的热电堆、热释电探测器，响应范围也很宽。如果什么光都放进来，二氧化碳在 4.26 μm 附近吸走的那一小部分，就可能被大量无关波段的光淹没。

NDIR，也就是非分散红外检测，常见办法是在探测器前放一片带通滤光片，只让目标吸收带附近的一小段光通过。“非分散”是指这种检测方式通常不用棱镜或光栅把光展开成连续光谱，而是选择特定波段进行测量。测二氧化碳时，通带可以放在 4.26 μm 附近，让探测器重点接收这一段光；气体浓度改变，对应通道的信号也会发生变化。

需要说清楚的是，滤光片负责的是选波长，它本身并不认识气体。最后得出“有多少二氧化碳”的结论，要靠探测器、参考信号、标定数据和算法一起完成。

参考信号要回答的问题是：信号变弱了，是气体变多了，还是仪器自己变了？光源老化、窗口沾灰、温度漂移，都可能改变检测结果。因此不少 NDIR 设备会再加一个参考通道，选在目标气体吸收较弱的波段。以二氧化碳为例，常见做法是把参考通道放在 3.9 μm 附近。两个通道一起变化，提示可能存在共同的系统因素；检测通道相对于参考通道的变化，才更有助于提取气体吸收信号。双通道很常见，但不是唯一方案，也有设备用单通道结合基线校正。

图 03｜NDIR 双通道原理：4.26 μm 检测通道与约 3.9 μm 参考通道（示意）

04一种气体好办，好几种就难了

只测一种气体时，挑一个干扰少的吸收带，做好标定，问题相对清楚。现场环境往往没这么单纯。

不同气体的吸收带可能彼此靠近，甚至重叠。3.3 μm 一带对应碳氢键的振动，甲烷在这里吸收，乙烷、丙烷等其他烃类也在附近吸收。水蒸气在中红外有多个吸收带，温度和压力还会改变吸收谱线的强度和形状。只盯一个波段，仪器很难分清信号变化到底来自哪里。

所以多气体检测通常需要更多波段的信息。一种做法是布置多个固定滤光通道，每个通道对准一种气体的特征区域。另一种思路是用可调谐滤光器件，让系统依次“看”一系列波段，得到更多光谱信息，再用光谱分析和标定模型同时判断成分和浓度。

2026 年 11 月 2 日出版的《Optics Express》第 34 卷第 22 期，收录了一篇题为《Simultaneous multi-gas classification and concentration inversion using a subsecond-tunable mid-infrared filter》的论文（10 月 19 日在线发表），研究的就是后一种思路：借助亚秒级可调谐中红外滤光片，开展多气体分类与浓度反演。和固定波段方案相比，这类方法的看点在于波长选择更灵活，有机会在同一套系统中获取更多光谱信息。

当然，能调波长不等于什么气体都能自动认准。光谱覆盖范围、信噪比、吸收带重叠程度、算法模型和标定条件，依然决定最终表现。论文展示的是研究方案，能否适应具体产品，还要评估长期稳定性、成本和现场工况。

05滤光片选不对，光源再好也白搭

回到工程现场。给气体检测选滤光片，远不止写一个中心波长那么简单。

通带宽度是第一个要权衡的。通带太宽，会放进更多不被目标气体吸收的光，吸收带来的变化在总信号里占比变小，邻近气体的干扰也更容易混进来。通带太窄，进入探测器的能量变少，信噪比可能吃紧，对中心波长偏差也更敏感。对于干涉型滤光片，入射角增大通常会使通带向短波方向移动，温度变化也可能引起光谱变化。实际影响必须结合膜系结构和工作条件判断。

峰值透过率决定有效信号有多少，带外截止决定杂散光能挡掉多少。热光源在通带以外仍有大量辐射，截止不够深，这部分光漏到探测器上，就会稀释真正有用的吸收信号。这些指标还要和探测器的光谱响应放在一起看。

图 04｜CO₂ 代表性吸收区域与带通滤光片通带的匹配关系（示意，非实测数据）

材料同样绕不开。4.26 μm 位于中红外，常见可见光光学玻璃在这一波段往往不再适用，用于 850 nm、940 nm 等近红外场景的滤光片不能直接拿来替代。中红外器件可能评估硅、锗、适用规格的蓝宝石等材料，但最终应按波段、厚度、表面反射、镀膜和使用环境确认透过性能，而不能只看材料名称。

一片适合气体检测系统的滤光片，最终要看它装进真实系统后，能不能帮探测器拿到足够强、足够稳、又能和干扰区分开的信号。

06看不见，但测得到

从工业安全监测到环境分析，红外吸收检测并没有让透明的气体变得可见。它换了个角度：不看气体长什么样，只看它从光里拿走了什么。一束光穿过去，在另一端少了那么一点，这一点差别，就是气体存在的线索。光源、光程、滤光片、探测器和算法，哪一环没做好，都会反映在最后的读数上。

就滤光片这一环，激埃特光电（GIAI）的产品范围涵盖红外滤光片、带通滤光片及相关定制光学元件。实际项目中，工作波长、通带宽度、截止范围、基片材料、入射角、尺寸和使用条件通常需要一起定义，可根据光谱要求、图纸或样品进行项目级评估。

GIAI 官网红外滤光片产品图片｜仅展示产品外观，不代表本文提及的 4.26 μm 具体规格

技术参考

① Sa Lu 等，Optics Express, 34(22): 40869–40881 (2026)，多气体分类与亚秒级可调谐中红外滤光片研究。查看期刊目录

② Mid-Infrared Multi-Gas Sensor System for CO, CO₂ and CH₄ Detection，公开的 NDIR 测量研究。查看研究

文中科普配图均为原理示意，不代表 GIAI 产品实测光谱、性能参数或论文实验装置。