近红外CO 2 精密分子光谱测量研究
发布时间：2021-10-15 18:22
二氧化碳作为由人类活动产生的第一大温室气体,其分子吸收跃迁光谱参数对监控全球二氧化碳浓度与分布、限制碳排放和保证碳交易的公平等具有非常重要的价值。但目前使用的光谱测量方法存在一些不足,难以精确得到二氧化碳跃迁谱线的展宽与压窄等光谱参数。本文基于光腔衰荡光谱技术（Cavity Ring-down Spectroscopy,CRDS）,以分子振转吸收光谱和热力学理论为基础,对CRDS系统进行研究分析,提出了一种高精度锁定衰荡装置和测量方法,实验测量了二氧化碳在1.6微米附近的五条跃迁谱线,获得了二氧化碳精密分子光谱参数,具体来讲,本文的研究内容主要有以下五个方面:1、从分子能级出发,分析了分子对于特定频率光子的吸收原理,将衰荡腔的损耗与腔内光子的寿命联系起来,阐述了光腔衰荡光谱技术的基本测量原理。2、提出了一种腔长可调节的光学衰荡装置。通过对光腔衰荡系统的分析及腔长锁定原理的研究分析,构建出衰荡腔的透射模型,通过设计光路系统和电路系统,建立起高精度锁定衰荡装置的测量系统。3、搭建基于电光调制器的锁定衰荡装置系统。利用稳频的He-Ne激光器作为参考光源,使用电光调制器对激光调制出的正边带作为...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DOAS系统原理图
近红外CO2精密分子光谱测量研究4器，光源和检测器就可以测试近、中、远波段，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，每次完整的测量与数据的采集在几秒内完成，大大提高测试的效率。尽管相比较于之前的红外光谱技术，傅立叶红外变换光谱技术测量性能有很大的提高，但本身也存在不少的缺陷。首先是样品的制作比较复杂，而且有可能会因操作或其他因素对样品形态造成破坏，无法保证样品表面的干净度；再者在定性分析的时候，需要把实验得到的数据谱图和标准物的数据谱图进行比较，而一种化合物的光谱和所表现的形态与所处的环境有直接关系，此外浓度的高低、纯度的大孝仪器的精密程度均有可能对最后的结论造成较大影响，解析过程十分复杂，工作量大；此外傅里叶变换仪体积较大，对于现场测量有较大的困难，计算时间很长，不能即时或短时获得待测气体的浓度等相关信息。图1.2傅里叶变换光谱技术系统原理图Fig1.2SchematicdiagramofFouriertransformspectrumtechnologysystem1.2.3可调谐半导体激光吸收光谱技术可调谐半导体激光吸收光谱技术（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectrosco-py,TDLAS），是分子光谱技术中发展最快、应用最广的技术之一。该技术可以反演出样品分子的绝对含量，进而得到温度、质量流量等相关信息，是一种无损
江苏大学硕士学位论文5测量的技术[2]。随着激光技术的进步和仪器精度的提升，可调谐半导体激光吸收光谱技术测量的分辨率和响应特性得到大幅度地提高。通过合理设计光路，调节反射镜的反射角度，可使有效光程显著增加，现已用来测量痕量气体，逐渐在物理和化学等领域占据一定的席位[3]。图1.3为中国计量科学研究院的TDLAS系统的原理框图[4]。图1.3可调谐半导体激光吸收光谱技术系统原理图Fig1.3SchematicdiagramofTunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopytechnologysystem可调谐半导体激光吸收光谱技术最大的优点是能够对样品进行绝对定量评估，且装置简单。但不足之处是过分依赖于高水平测量的微小功率变化，探测激光在光学系统传输中引入的任何噪声都会降低该技术的灵敏度，必须选择光功率较强的激光器及灵敏度较高噪声较低的探测器，同时需要精细调节光路中反射镜的反射角度和透镜的位置来获得较长的吸收光程等，这些限制因素导致可调谐半导体激光吸收光谱技术仅限用于检测10-3的吸光度，对于探测激光单次吸收样品池而言，其吸光度在10-7~10-8范围内，这与理论散粒噪声水平相差甚远。对于目前已经报道的研究中，光谱信噪比一般为2500：1左右，对于许多类型的应用场合，此检测极限是远远不够的。1.2.4光腔衰荡光谱技术光腔衰荡光谱技术（Cavityring-downspectroscopy，CRDS），是一种高灵敏度的光谱技术，它不直接测量样品分子的相关信息，而是将光子的寿命和腔体的损耗联系起来，通过测量光强的衰减时间，进而通过各参数之间的相互关系拟合出谱线参数，并进而确定低至万亿分之几的摩尔分数。目前，已被广泛用于研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]点排放源中二氧化碳浓度的测量研究[J]. 邹冰妍,林鸿,张亮,冯晓娟,赵不贿,张金涛. 计量学报. 2019(02)
[2]基于PDH（Pound-Drever-Hall）技术谐振腔腔长反馈锁定研究[J]. 许夏飞,万敏,鲁燕华,张雷,谢刚. 激光杂志. 2015(03)
[3]基于光纤电光调制器的PDH频率锁定稳定性研究[J]. 马维光,赵刚,付小芳,李志新,谭巍,董磊,张雷,尹王保,贾锁堂. 中国激光. 2014(01)
[4]基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测[J]. 曲哲超,李斌成,韩艳玲. 红外与毫米波学报. 2012(05)
[5]3种方法实现461 nm外腔倍频激光器的锁定[J]. 彭瑜,赵阳,李烨,曹建平,方占军,臧二军. 中国激光. 2010(02)
[6]用光腔衰荡光谱方法精确测量高反镜的反射率[J]. 孙福革,戴东旭,解金春,孙龙,房本杰. 中国激光. 1999(01)
[7]大气中CO2增加引起全球变暖和海平面上升及其对珠江三角洲可能的影响[J]. 唐永銮,陈国能,曹军建,江涛. 重庆环境科学. 1993(05)
博士论文
[1]连续波环形腔震衰减光谱测量技术研究[D]. 崔立红.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]大气小分子的激光光腔衰荡光谱线型研究[D]. 谈艳.中国科学技术大学 2015
[3]基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究[D]. 李志新.山西大学 2015
[4]高灵敏光腔衰荡光谱测量痕量气体分子[D]. 陈兵.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于光腔衰荡光谱法测量CO痕量气体成分的探索[D]. 赵欣月.长春理工大学 2017
[2]偏振光反馈光腔衰荡高反射率测量技术研究[D]. 祖鸿宇.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[3]利用Fabry-Perot腔抑制电光相位调制中的剩余幅度调制[D]. 陈玉华.华东师范大学 2007
本文编号：3438414
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DOAS系统原理图
近红外CO2精密分子光谱测量研究4器，光源和检测器就可以测试近、中、远波段，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，每次完整的测量与数据的采集在几秒内完成，大大提高测试的效率。尽管相比较于之前的红外光谱技术，傅立叶红外变换光谱技术测量性能有很大的提高，但本身也存在不少的缺陷。首先是样品的制作比较复杂，而且有可能会因操作或其他因素对样品形态造成破坏，无法保证样品表面的干净度；再者在定性分析的时候，需要把实验得到的数据谱图和标准物的数据谱图进行比较，而一种化合物的光谱和所表现的形态与所处的环境有直接关系，此外浓度的高低、纯度的大孝仪器的精密程度均有可能对最后的结论造成较大影响，解析过程十分复杂，工作量大；此外傅里叶变换仪体积较大，对于现场测量有较大的困难，计算时间很长，不能即时或短时获得待测气体的浓度等相关信息。图1.2傅里叶变换光谱技术系统原理图Fig1.2SchematicdiagramofFouriertransformspectrumtechnologysystem1.2.3可调谐半导体激光吸收光谱技术可调谐半导体激光吸收光谱技术（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectrosco-py,TDLAS），是分子光谱技术中发展最快、应用最广的技术之一。该技术可以反演出样品分子的绝对含量，进而得到温度、质量流量等相关信息，是一种无损
江苏大学硕士学位论文5测量的技术[2]。随着激光技术的进步和仪器精度的提升，可调谐半导体激光吸收光谱技术测量的分辨率和响应特性得到大幅度地提高。通过合理设计光路，调节反射镜的反射角度，可使有效光程显著增加，现已用来测量痕量气体，逐渐在物理和化学等领域占据一定的席位[3]。图1.3为中国计量科学研究院的TDLAS系统的原理框图[4]。图1.3可调谐半导体激光吸收光谱技术系统原理图Fig1.3SchematicdiagramofTunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopytechnologysystem可调谐半导体激光吸收光谱技术最大的优点是能够对样品进行绝对定量评估，且装置简单。但不足之处是过分依赖于高水平测量的微小功率变化，探测激光在光学系统传输中引入的任何噪声都会降低该技术的灵敏度，必须选择光功率较强的激光器及灵敏度较高噪声较低的探测器，同时需要精细调节光路中反射镜的反射角度和透镜的位置来获得较长的吸收光程等，这些限制因素导致可调谐半导体激光吸收光谱技术仅限用于检测10-3的吸光度，对于探测激光单次吸收样品池而言，其吸光度在10-7~10-8范围内，这与理论散粒噪声水平相差甚远。对于目前已经报道的研究中，光谱信噪比一般为2500：1左右，对于许多类型的应用场合，此检测极限是远远不够的。1.2.4光腔衰荡光谱技术光腔衰荡光谱技术（Cavityring-downspectroscopy，CRDS），是一种高灵敏度的光谱技术，它不直接测量样品分子的相关信息，而是将光子的寿命和腔体的损耗联系起来，通过测量光强的衰减时间，进而通过各参数之间的相互关系拟合出谱线参数，并进而确定低至万亿分之几的摩尔分数。目前，已被广泛用于研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]点排放源中二氧化碳浓度的测量研究[J]. 邹冰妍,林鸿,张亮,冯晓娟,赵不贿,张金涛. 计量学报. 2019(02)
[2]基于PDH（Pound-Drever-Hall）技术谐振腔腔长反馈锁定研究[J]. 许夏飞,万敏,鲁燕华,张雷,谢刚. 激光杂志. 2015(03)
[3]基于光纤电光调制器的PDH频率锁定稳定性研究[J]. 马维光,赵刚,付小芳,李志新,谭巍,董磊,张雷,尹王保,贾锁堂. 中国激光. 2014(01)
[4]基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测[J]. 曲哲超,李斌成,韩艳玲. 红外与毫米波学报. 2012(05)
[5]3种方法实现461 nm外腔倍频激光器的锁定[J]. 彭瑜,赵阳,李烨,曹建平,方占军,臧二军. 中国激光. 2010(02)
[6]用光腔衰荡光谱方法精确测量高反镜的反射率[J]. 孙福革,戴东旭,解金春,孙龙,房本杰. 中国激光. 1999(01)
[7]大气中CO2增加引起全球变暖和海平面上升及其对珠江三角洲可能的影响[J]. 唐永銮,陈国能,曹军建,江涛. 重庆环境科学. 1993(05)
博士论文
[1]连续波环形腔震衰减光谱测量技术研究[D]. 崔立红.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]大气小分子的激光光腔衰荡光谱线型研究[D]. 谈艳.中国科学技术大学 2015
[3]基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究[D]. 李志新.山西大学 2015
[4]高灵敏光腔衰荡光谱测量痕量气体分子[D]. 陈兵.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于光腔衰荡光谱法测量CO痕量气体成分的探索[D]. 赵欣月.长春理工大学 2017
[2]偏振光反馈光腔衰荡高反射率测量技术研究[D]. 祖鸿宇.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[3]利用Fabry-Perot腔抑制电光相位调制中的剩余幅度调制[D]. 陈玉华.华东师范大学 2007
本文编号：3438414
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