时间相关吸收光谱技术分析新方法

发布时间：2020-06-13 09:38

【摘要】：时间相关吸收光谱技术,如腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-down Spectroscopy,CRDS)和相移光谱技术(Phase-shift Spectroscopy,PSS),是近三十几年发展起来的一类新型吸收光谱检测技术,它具有探测灵敏度高、响应速度快、不受光源强度起伏变化影响等优点,一直是科研人员们研究的重点。传统的吸收光谱技术都是基于Lambert-beer定律,如直接吸收光谱技术(DAS)、波长调制光谱技术(WMS)和腔增强吸收光谱技术(CEAS)等,这类光谱技术在探测物质微弱吸收的时候一旦遇到较强的背景光信号就变得难以测量,而且光源的不稳定性也会对检测带来一定的限制。时间相关吸收光谱技术由于其不受光源强度起伏变化的特点,在很大程度上能够弥补传统吸收光谱技术所存在的缺陷。本文首先对腔衰荡光谱技术和相移光谱技术的基本原理做了介绍,同时分析了谐振腔的一些基本特性。从原理中可以发现,腔衰荡光谱技术和相移光谱技术除了光源有所不同外,其余元件基本相同。那么,该类光谱技术从本质上讲,其实就是谐振腔对于不同光源的动态响应,不同的光谱技术对应不同的动态响应。为了对时间相关吸收光谱技术进行研究,引入传感器理论,提出将谐振腔看作是一阶传感系统,用一阶传感系统理论对时间相关吸收光谱技术进行分析,并推导时间相关吸收光谱技术在一阶传感系统理论下方程式。接着利用一阶传感理论推导而得的方程式分析P-CRDS系统中激光脉宽对系统的影响以及PSS系统中调制相对深度对系统的影响。在P-CRDS系统中,通过模拟仿真发现当激光脉宽不满足远小于谐振腔时间常数的条件时,拟合得到的时间常数和真实时间常数之间会存在误差。对一系列变化的脉宽和谐振腔时间常数进行模拟,得到一系列相对应的拟合时间常数。通过对这三组数据进行分析,得到三者的关系表达式,利用该表达式实现对拟合误差的修正,使得在一定范围内,修正后的拟合时间常数的误差小于1%,满足系统测量要求。在PSS系统中,通过模拟仿真发现,在调制相对深度较小的时候,会存在拟合误差,影响测量精度;在调制相对深度大于0.23时,误差小于0.1%。最后针对P-CRDS系统和PSS系统搭建了相应的测量平台。通过测量CRDS系统的稳定性,分析该系统的最佳积分时间为38s。在大气气溶胶消光系数测量实验中,对比日本汀}诳蒲а芯克兄频腃APS-EXT消光仪的测量结果,发现两者一致性较好。在PSS系统中,测量不同频率下的入射参考信号与探测信号的相位差和探测信号峰-峰值,通过由一阶传递函数推导而得的相频特性和幅频特性,拟合得到时间常数,同时计算出腔镜的反射率。从测量结果上看,两种方法得到的结果基本一致。实验结果验证了一阶传感系统理论完全适用于时间相关吸收光谱的信号分析,并且一阶传感系统理论还使得时间相关吸收光谱技术的理论得到了统一。
【图文】：

光谱图,腔衰荡,温室气体,基本组件

谱技术进行研究，并获得了不菲的成果。２００８年，美国的Ｃｒ0ＳＳ0ｎ，Ｅ．Ｒ．团队［３５］为了逡逑对造成地球温室效应的甲烷、水蒸气和二氧化碳气体进行标定测量，开发了一种基于逡逑腔衰荡光谱（ＣＲＤＳ）的温室气体分析仪，如图１－１所示为该分析仪的基本组件框图。逡逑该温室气体分析仪中使用了两个不同波段的分布式反馈（ＤＦＢ）激光器作为光源，，一逡逑个中心波长为１６０３ｎｍ，用来测量（：０２，另一个中心波长为１６５１１１１１１，用来测量＜：１１４逡逑和Ｈ２０，这两个分立的ＤＦＢ激光器发出的激光经光开关来选择通过。该仪器采用的逡逑腔体在空腔下的时间常数为ｒ邋＝邋４０ｕｓ，在每隔５秒测量一次，一共测量５００次的监测逡逑结果下得到该仪器探测Ｃ０２的探测极限为ｌＯＯｐｐｂ，探测ＣＨ４的探测极限为０．５ｐｐｂ，逡逑探测Ｈ２０的探测极限为５０ｐｐｍ。逡逑３逡逑

透射光强,脉冲光,谐振腔,归一化

Ｔｉｍｅ邋／｜ｉｓ逡逑图４－１时入射光光强信号图逡逑该脉宽下的脉冲光进入谐振腔后的透射光强归一化图像如图４－２所示：逡逑１．０－１逡逑＼逦逦邋Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｌｉｇｈｔ逡逑０．８－邋＼逡逑１邋＼逡逑＾邋０．６－邋＼逡逑Ｉ邋－邋＼逡逑０．２－邋＼逡逑０．０－逦逡逑Ｉ逦Ｉ逦１逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦１逡逑１００逦２００逦３００逦４００逦５００逡逑Ｔｉｍｅ／ｕｓ逡逑图４－２邋／邋＝邋０．５瓜，ｒＤ邋＝邋５０ｚｕ时透射光强归一化图逡逑最终截取透射光强信号峰值的０．０５－０．９倍区间进行拟合，图４－３所示为逡逑２４逡逑
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O433.51

【参考文献】