基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究

发布时间：2017-08-12 01:07

  本文关键词：基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究

  更多相关文章： 腔衰荡光谱 吸收光谱 空间效应 动态响应 反射光控制

【摘要】：随着现代化和工业化进程的发展,人们将工业生产以及日常生活中产生的大量废气(如硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等)排放到大气中,造成了严重的大气污染。在给人类带来巨大经济损失的同时,危害了人类身体健康,生物的生存和发育,导致了酸雨腐蚀物体,臭氧层破坏,全球气候变暖等恶劣的影响。因此,为了尽可能的减少大气污染造成的危害,对污染气体进行检测,及时掌握污染气体的排放和分布情况对于环境保护有着特别重要的意义。连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)技术是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,它通过测量高精细度腔内光强的衰减率来确定目标样品的吸收信息。与其它的激光吸收光谱技术相比,CW-CRDS技术具有以下几点优势：(1)CW-CRDS测量的是腔内激光强度的时间行为,因此它不受激光强度起伏的影响；(2)高精细度腔的使用大大增加了激光与气体介质相互作用的路径；(3)CW-CRDS技术是一种免定标的光谱测量方法；(4)CRDS技术的实验装置非常简单,方便操作。本文把CW-CRDS技术作为主要的研究对象,在实验上搭建了一套基于CW-CRDS技术的痕量气体检测装置。对实验过程中存在的不稳定因素进行了实验分析及优化,并基于CW-CRDS技术对痕量气体检测进行了深入的研究。主要工作如下：1.从光学腔的基本特性出发,将光学腔的损耗与腔内光子的寿命联系起来,阐述了衰荡光谱测量的基本原理。进一步基于窄线宽连续激光源对衰荡腔的响应特性、高斯光束传输特性、腔的模式理论以及激光与腔的空间模式匹配进行了详细分析。为CW-CRDS技术的研究奠定了基础。2.设计并搭建了一套基于CW-CRDS技术的用于痕量气体检测的实验系统。实验中搭建的高精细度腔的腔镜反射率在1.53μm附近约为99.935%,对应的腔的衰荡时间为2.02μs左右,腔的精细度约为4832,等效吸收路径约为606m。对实验中采用的DFB激光器、声光调制器(AOM)、阈值电路等的工作原理进行了分析,并对其响应特性进行了实验测试。进一步,为了保证激光到腔的高效耦合,通过激光输出高斯光束的测量以及内腔模式的计算,选择了合适的透镜实现了两者之间的空间模式匹配。此外,还研究了不同实验条件对衰荡时间测量的影响并进行了优化。3.基于建立起的CW-CRDS实验系统进行了气体检测的实验研究。首先分别基于1531nm的光纤激光器和1528nm的DFB激光器对C2H2气体在6531.7805cm"1和6544.4419cm-1处的吸收线进行了测量,在探测压强分别为78.2Torr和92Torr时获得了7.5ppb和9.9ppb的探测灵敏度。此外,又基于1578nm的DFB激光器对CO2气体在6330.821cm-1处的吸收线进行了测量。并在将激光频率锁定到吸收线中心位置的情况下,对室内CO2的浓度进行了长期监测。通过阈值去噪、多次平均和Kalman滤波等手段对测量数据进行了优化处理,使测量数据能够实时、准确的反映CO2浓度的变化。4.在对空腔的衰荡时间进行测量的实验过程中观察到了一种空间效应,具体表现为衰荡时间的测量与探测器的空间位置以及光斑与探测器窗口的相对大小有关。经过实验研究发现这种效应的产生是由探测器窗口的非均匀响应导致的,并且建立了一套理论模型对空间效应进行了解释。根据气体吸收光谱的测量影结果,证明空间效应的存在会导致错误的内腔损耗估计和气体吸收测量。因此,在CW-CRDS实验中我们要保证光斑与探测器完全对准,同时要对腔的透射光斑进行聚焦,保证探测时光斑能够与探测器的有效探测器区域相匹配。5.区别于经典的光学腔的静态响应分析,我们对衰荡腔的动态响应特性进行了理论和实验研究。研究结果表明,相比于透射光信号强度来讲,腔的反射光信号强度受腔长调制频率以及内腔吸收损耗变化的影响较小,说明反射光在信号处理过程中更具有优势。此外,我们发现通过对腔的动态响应特性的测量和分析可以获得不同位置处腔长扫描速率的大小,这对于PZT的非线性响应的校正具有重要的意义。6.提出并发展了一种基于反射光控制的CW-CRDS技术。该技术的主旨在于利用反射光信号幅度的变化来触发AOM关断激光,取代了传统技术中基于阈值电路触发控制的机制。其优势在于：(1)用于关断激光的触发信号和衰荡事件的提取可以分别从腔的反射光和透射光信号中获得,实现了两者的分离,避免了阈值电路对衰荡事件测量的影响；(2)腔的反射光信号强度受气体浓度变化的影响较小,可以增加基于反射光控制的CW-CRDS光谱测量的动态范围。在上述的研究工作中,属于创新性的工作包括以下几方面：1.在基于CW-CRDS的实验过程中,在不同数据拟合点数、不同共振模式、不同阈值设置、不同探测器、激光波长扫描等条件下对衰荡时间进行了测量,分析了它们对衰荡时间测量的影响。并根据实验结果实验系统进行了优化,保证了衰荡光谱测量的准确性。2.在实验中观察到了一种衰荡时间测量随探测器位置及光斑大小变化的空间效应,并通过多种方式进行了验证。经过大量的实验研究表明,空间效应的出现是由探测器的非均匀响应导致的。为此,我们建立了一套理论模型来对空间效应进行解释。此外,根据气体吸收光谱的测量影结果,证明空间效应的存在会导致错误的内腔损耗估计和气体吸收测量。对于空间效应的研究为CW-CRDS技术的应用提出了新的要求。3.对实验中采用的衰荡腔的动态响应特性进行了详细的理论和实验研究。研究结果表明,腔的反射光信号强度受腔长调制频率以及内腔吸收损耗变化的影响较小,说明反射光在信号处理过程中比透射光更具有优势。此外,我们发现通过对腔的动态响应特性的测量和分析可以获得不同位置处腔长扫描速率的大小,这对于校正PZT的非线性响应具有重要的意义。4.提出并发展了基于反射光控制的CW-CRDS技术。实验中利用反射光信号来作为触发信号控制AOM关断激光,取代了传统技术中阈值电路的使用。其优势在于：(1)将用于关断激光的触发信号和衰荡事件的获取分离开来,避免了阈值电路对衰荡事件测量的影响；(2)反射光信号强度在稳定性方面的优势可以增加CW-CRDS光谱测量的动态范围。
【关键词】：腔衰荡光谱 吸收光谱 空间效应 动态响应 反射光控制
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X831
【目录】：

• 中文摘要12-15
• Abstract15-20
• 第一章 绪论20-34
• 1.1 研究背景及意义20-21
• 1.2 激光吸收光谱技术概述21-24
• 1.3 腔衰荡光谱技术的发展及应用24-27
• 1.4 本文主要工作27-30
• 参考文献30-34
• 第二章 直接吸收光谱技术34-44
• 2.1 引言34
• 2.1 Lambert-Beer定律34-36
• 2.2 光谱线型36-39
• 2.2.1 Doppler展宽37
• 2.2.2 碰撞展宽37-39
• 2.2.3 Voigt线型39
• 2.3 定量分析39-40
• 2.4 信号探测及噪声40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 参考文献42-44
• 第三章 腔衰荡光谱技术的一般原理44-64
• 3.1 引言44
• 3.2 腔衰荡光谱的测量原理44-47
• 3.3 光学谐振腔理论47-56
• 3.3.1 光学腔的响应特性47-54
• 3.3.2 高斯光束54-55
• 3.3.3 腔的共振模式55-56
• 3.4 空间模式匹配56-59
• 3.5 本章小结59-60
• 参考文献60-64
• 第四章 CW-CRDS实验系统设计及优化64-88
• 4.1 引言64
• 4.2 实验装置64-66
• 4.3 DFB激光器66-67
• 4.4 高精细度腔67-72
• 4.4.1 腔的设计67-68
• 4.4.2 腔内高斯光束参量计算68-70
• 4.4.3 激光高斯光束的测量70-71
• 4.4.4 激光到光学腔的模式匹配71-72
• 4.5 AOM的特性72-75
• 4.5.1 AOM的工作原理72-73
• 4.5.2 AOM的响应测试73-75
• 4.6 阈值电路75-78
• 4.6.1 555定时器75-76
• 4.6.2 阈值电路的设计及测试76-78
• 4.7 不同实验条件下衰荡时间的测量78-85
• 4.7.1 不同数据拟合点数的测量78-79
• 4.7.2 不同共振模式下的测量79-81
• 4.7.3 不同阈值设置下的测量81-82
• 4.7.4 不同探测器的测量82-83
• 4.7.5 激光波长扫描时的测量83-85
• 4.8 本章小结85-86
• 参考文献86-88
• 第五章 探测器非均匀响应引起的空间效应研究88-106
• 5.1 引言88-89
• 5.2 空间效应的观察89-96
• 5.3 探测器的响应分析96-100
• 5.3.1 探测效率的研究96-98
• 5.3.2 时间响应的研究98-100
• 5.4 空间效应的理论模型100-101
• 5.5 空间效应对气体吸收测量的影响101-102
• 5.6 本章小结102-103
• 参考文献103-106
• 第六章 CW-CRDS技术用于气体检测的实验研究106-122
• 6.1 引言106
• 6.2 乙炔气体吸收线的测量106-110
• 6.2.1 空腔长期测量106-108
• 6.2.2 气体吸收谱线测量108-110
• 6.3 二氧化碳浓度的监测110-117
• 6.3.1 实验装置111-112
• 6.3.2 二氧化碳吸收线的测量112
• 6.3.3 二氧化碳浓度的监测112-114
• 6.3.4 信号处理及优化114-117
• 6.4 本章小结117-118
• 参考文献118-122
• 第七章 基于反射光控制的腔衰荡光谱测量122-146
• 7.1 引言122
• 7.2 阈值电路特性对衰荡事件测量的影响122-126
• 7.3 腔的动态响应特性分析126-134
• 7.3.1 理论分析126-129
• 7.3.2 实验测量129-134
• 7.4 基于反射光控制的CW-CRDS技术134-142
• 7.4.1 基本思想134-136
• 7.4.2 实验装置136-137
• 7.4.3 时序控制137-138
• 7.4.4 数据采集优化138-139
• 7.4.5 结果与讨论139-142
• 7.5 本章小结142-144
• 参考文献144-146
• 第八章 全文总结与展望146-150
• 成果目录150-152
• 致谢152-153
• 个人简况153-154
• 承诺书154-156

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本文编号：659038