差频产生中红外激光光源及甲烷气体检测应用研究

发布时间：2020-04-15 05:37

【摘要】：中红外波段覆盖了大量气体分子的基带吸收线,其吸收强度比近红外波段高2-3个数量级。因此,基于中红外激光的吸收光谱技术可实现气体种类、浓度等信息的高灵敏度探测,在环境监测、矿床开发、医学诊断、星际探测等领域具有重要的应用价值。基于准相位匹配(QPM)技术差频产生(DFG)的中红外光源,因具有室温工作、窄线宽、输出光束质量好等优点,目前已成为大气痕量气体检测的首选光源。本论文基于MgO:PPLN晶体搭建了中红外DFG系统,并深入研究了该系统的输出性能,在此基础上,构建了 CH4气体光谱检测系统,具体研究内容如下:1、从非线性光学理论出发,结合DFG基本原理,讨论了实现相位匹配的常用技术,分析了晶体周期、温度、角度和波长的接受带宽对DFG/QPM的影响。2、以1060nm和1550nm波段窄线宽激光器作为基频光源,采用周期30.3μm的MgO:PPLN晶体作为非线性晶体,获得了连续波可调谐中红外光源。通过理论与实验分析了基频光功率、晶体长度、聚焦参数等因素对DFG系统转换效率的影响,此外,系统的研究了晶体温度及基频光波长调谐特性。实验结果表明,该DFG系统的转换效率约为191μW/(W2·cm),MgO:PPLN晶体的温度接受带宽约为4.2℃,泵浦光波长匹配带宽约为5.8nm,中红外波长调谐范围可达到390nm,系统在2小时内的功率波动小于5%。3、采用直接吸收光谱技术,通过外加10Hz的三角波信号扫描泵浦光波长,测得了 CH4分子2999.01cm-1处的吸收光谱。实验结果显示,CH4分子吸收峰半高宽约为0.227cm-1,与HITRAN数据库中理论值0.202cm-1相比,相对误差较小,表明该中红外DFG光源系统具有很好的窄线宽特性,适用于气体的高灵敏度、高分辨率光谱检测分析。
【图文】：

大气痕量气体,光谱法,化学法

ｐｐｔ－ｐｐｍ量级范围ｌＵ１。日益严重的大气污染问题，加剧了温室效应，破坏了大气臭氧层，逡逑同时频繁的引发雾桯天气、酸雨等现象，给人类造成了巨大的健康损失和经济损失（如逡逑图１．１）。如何对大气污染中的痕量气体进行有效监测，己成为亟待解决的问题。逡逑t壎卣财疲ㄎ率倚вΑ义希疲海义闲穑籒B邋．邋．邋４邋雾１１逡逑图１．１大气污染的危害逡逑目前，主要采用化学法和光谱法对大气痕量气体进行检测。传统的化学法是在取气逡逑采样后进行实验分析，存在操作复杂、精确度低等问题。现代化学法主要是利用气体的逡逑一些化学特性进行分辨和测量，常常用于光谱学技术测量的对比测量中，其测量技术主逡逑要包括：化学发光测量技术、色谱、质谱分析和色谱－质谱联用技术、基体分离和电子逡逑自旋共振法等［３］。光谱学检测法是通过物质本身的（分子、原子或离子）性质及相力：之逡逑间作用表现的特征性，并通过一定的手段研究分析其变化规律，以某种光谱形式表征出逡逑来。光谱学检测法具有灵敏度高、响应速度快、测量范围广、在线检测等优点，己经逡逑大气环境监测领域广泛应用。如今常用的光谱检测技术有差分吸收激光Ｕ；？达（ＤＩＡＬ）、差逡逑分光学吸收光谱（ＤＯＡＳ）、可调谐半牙体激光吸收光谱（ＴＤＬＡＳ）等｜４１。逡逑Ｉ逡逑

中红外光源,铅盐

炎、流感、哮喘等［１（），１１］。不仅比传统的抽血化验等方法简便，还能避免给患者造成痛苦；逡逑在工业生产领域，可以通过探测生产过程中产生的气体种类和浓度，保障工人的生命安逡逑全｜１２］。图１．２为中红外光源的一些实际应用场景。逡逑图１．２中红外光源的应用逡逑１．２常见的中红外光源逡逑目前，基于不同激光产生机理产生了多种中红外光源，如铅盐半导体激光器、色心逡逑激光器、量子级联半导体激光器（ＱＣＬ）、光学参量振荡器（ＯＰＯ）、差频产生（ＤＦＧ）中红外逡逑光源等１１３＿１５１。逡逑１９６３年，麻省理工学院首先报道了通过采用ＰｂＴｅ材料可以生产出波长为６．５｜ｉｍ的逡逑铅盐激光器，此后，铅盐激光器的制作技术得到了飞速发展。１９６９年，基于半导体材逡逑料制作的铅盐激光器的波长覆盖范围己达到２．７－３３卜ｉｍ，输出功率约为１－１０Ｗ。铅盐半逡逑导体激光器大多采用的是双异质结构或掩埋异质结构，基本的发射波长由Ｓ、Ｓｅ、Ｐｂ逡逑等元素在合成材料中的比例决定［１６］。铅盐半导体激光器可以通过调节温度或者丁作电逡逑２逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】