基于离轴积分腔光谱水中溶解气体原位测量技术研究

发布时间：2023-06-27 23:23

　　本文对离轴积分腔输出光谱技术(Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy,OA-ICOS)开展研究,并将该方法应用于高灵敏度、原位在线测量水中溶解痕量气体技术研究。通过主动引入白噪声扰动激光器的方法有效地抑制了腔模式噪声,实现了非充分离轴积分腔系统中信噪比的提高,为进一步发展高精密的原位测量技术提供了重要的参考。基于OA-ICOS技术设计了一种具有高稳定性的内嵌式积分腔结构,并放置在温度可控的保温箱内,确保光学探测模块的温度稳定。研究了系统非耦合辐射输出信号对有效吸收信号的影响,根据实验结果、探测器和高反镜的参数,选择1550nm高通滤光片对多参量气体测量系统的光路进行了优化。将射频(Radio Frequency,RF)白噪声扰动注入到激光器驱动电流,研究了注入的RF噪声功率对腔模噪声的抑制效果及对吸收线型的影响。结果表明,注入的RF噪声功率越高,腔模噪声越低,吸收光谱的线宽也随之增加,但吸收光谱的积分面积并没有受到影响,而对应的二次谐波信号(2f)随之减弱。信噪比分析结果表明,用于OA-ICOS系统和波长调制OA-ICOS系统(WM...

【文章页数】：91 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 研究背景及意义
    1.1 天然气水合物
        1.1.1 天然气水合物的特征
        1.1.2 天然气水合物资源的全球分布
        1.1.3 我国天然气水合物资源的分布
    1.2 天然气水合物原位探测技术
        1.2.1 生物传感技术
        1.2.2 半导体气敏传感器
        1.2.3 水下原位质谱仪
        1.2.4 光学传感技术
    1.3 国内天然气水合物原位勘探技术研究现状
    1.4 研究目标和主要工作内容
第二章 积分腔输出光谱测量技术原理
    2.1 吸收光谱技术基本原理
        2.1.1 Beer-Lambert定律
        2.1.2 谱线线型
    2.2 高精细度光学谐振腔
        2.2.1 光学谐振腔模式
        2.2.2 光学谐振腔的损耗
        2.2.3 光子在腔内的衰荡时间
    2.3 积分腔的光学输出分析
        2.3.1 共振腔的光学腔输出分析
        2.3.2 非共振腔的光学腔输出分析
        2.3.3 离轴积分腔的光学分析
    2.4 信号与噪声分析
        2.4.1 探测器噪声
        2.4.2 激光过量噪声
        2.4.3 干涉条纹
        2.4.4 残余腔模式噪声
        2.4.5 探测灵敏度
    2.5 小结
第三章 离轴积分腔光谱测量系统优化设计与实现
    3.1 系统整体结构设计
    3.2 积分腔设计和光路优化设计
    3.3 温控箱和气路设计
    3.4 非耦合辐射对吸收信号的影响研究
    3.5 小结
第四章 白噪声对积分腔输出光谱的影响研究
    4.1 白噪声对积分腔输出光谱(ICOS)的影响
        4.1.1 功率可调的RF白噪声源
        4.1.2 RF白噪声对共轴ICOS腔模噪声的抑制作用
        4.1.3 RF白噪声对离轴ICOS腔模嗓声的抑制作用
        4.1.4 甲烷浓度的测量实验
    4.2 白噪声对波长调制离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)的影响
        4.2.1 信号分析
        4.2.2 噪声分析
        4.2.3 CH₄浓度的测量实验
    4.3 小结
第五章 多参量原位气体测量样机研制
    5.1 测试原理样机
    5.2 系统标定实验
        5.2.1 浓度测量标定实验
        5.2.2 系统检测限标定
        5.2.3 系统测量准确度对比
    5.3 测量水中析出气体浓度
    5.4 小结
第六章 总结与展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果



本文编号：3835536