基于外腔式量子级联激光器的激光光谱技术研究

发布时间：2020-10-22 23:17

【摘要】：挥发性有机物(VOCs)作为一类重要的有机污染物,对动植物有直接毒性,且易燃易爆,发生泄漏时容易引发火灾、爆炸等安全事故,严重影响了人体健康、生态环境以及社会安定。因此,开展对这类气体的实时在线监测技术研究,及时掌握其分布、排放及泄漏情况,具有重要的实际意义。相比于传统的气体检测技术,激光吸收光谱技术得以快速发展,特别是可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)因其具有响应速度快、灵敏度和分辨率高、无损探测等优点已被广泛应用于各类污染气体的测量研究。近年来针对挥发性有机物在中红外波段具有宽带吸收光谱的特性,将经典的TDLAS检测技术与宽调谐范围的外腔式量子级联激光器相结合,构成的外腔式量子级联激光光谱技术已成为实现挥发性有机物精确分析和遥感探测的一种有效手段。本论文以商业化的外腔式量子级联激光器作为激发光源,结合自行研制的石英音叉光电探测器,搭建了一套可用于挥发性有机物分析的测量系统。通过对N2O吸收光谱的测量,检验了实验系统的线性度和石英音叉光电探测器的可靠性。以典型的挥发性有机物乙醇和丙酮为检测对象,深入开展了理论和实验研究,实验测量的吸收光谱与PNNL数据库的标准参考谱线具有良好的一致性。在实验数据处理方面,通过结合自行建立的多元线性回归算法与三次样条插值算法实现了多组分VOC挥发物的成分识别和定量分析。此外,开展了挥发性有机物泄漏遥测技术的实验研究,在30 m远的距离下,分别在激光器慢速和快速扫描模式下,获得了乙醇和丙酮挥发蒸汽的吸收光谱,为未来开展危化品泄漏在线监测研究奠定了良好基础。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 吸收光谱技术发展现状
        1.2.1 直接吸收光谱技术
        1.2.2 差分光学吸收光谱技术
        1.2.3 腔衰荡光谱技术
        1.2.4 光声光谱技术
    1.3 量子级联激光光谱气体检测技术的发展
        1.3.1 量子级联激光器
        1.3.2 外腔式量子级联激光器
    1.4 本文的主要研究内容
第二章 基于光谱分析的气体检测理论
    2.1 吸收光谱基本理论
    2.2 红外光谱数据库概述
    2.3 光谱检测的定性定量分析
        2.3.1 三次样条插值算法
        2.3.2 多元线性回归算法
    本章小结
第三章 外腔式量子级联激光光谱技术
    3.1 实验系统介绍
        3.1.1 外腔式量子级联激光器
        3.1.2 石英音叉光电探测器
    3.2 实验系统性能分析
        3.2.1 实验装置
        3.2.2 一氧化二氮的吸收光谱研究
    3.3 挥发性有机物检测
        3.3.1 乙醇、丙酮的吸收光谱研究
        3.3.2 乙醇、丙酮、空气混合物吸收光谱研究
    本章小结
第四章 挥发性有机物遥测系统的研究
    4.1 光谱遥测技术的发展
    4.2 实验系统的设计
    4.3 挥发性有机物的遥测
        4.3.1 慢扫模式下的实验结果分析
        4.3.2 快扫模式下的实验结果分析
    本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 主要创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
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