光纤环腔激光腔内吸收光谱气体传感技术的研究

发布时间：2020-03-09 00:54

【摘要】：激光腔内吸收光谱自被提出以来因其高灵敏度特性一直为各国学者所关注,被广泛应用于气体、液体和等离子体等介质中粒子弱吸收的探测。光纤技术的发展使分布式腔内吸收光谱检测成为可能,但目前还没有成熟的商品仪器出现。本文基于光纤环腔激光器构建腔内吸收传感系统研究痕量气体的全光纤、准分布式测量。在对系统器件进行分析和简化传输函数的基础上,阐述了腔内吸收光谱的形成条件,理论推导了光纤环腔腔内吸收传感系统工作的稳态模型和瞬态模型,据此计算模拟了光纤环腔激光器的放大自发辐射谱和气体腔内吸收光谱,验证了本系统光谱波长扫描测量的可行性。针对放大自发辐射噪声和标准具噪声等对腔内吸收光谱检测的干扰问题,将低频波长扫描和波长调制技术相结合应用于腔内吸收气体传感系统,通过理论分析和实验确定调制参数。对1%浓度的乙炔气体进行传感,在1526.5~1537 nm波长区间检测到17条吸收谱线,证明该方法可有效提高系统气体传感的灵敏度。为增强传感性能,对波长扫描方式加以优化并再次实验乙炔传感,未采用波长调制技术便在1525~1545 nm波长区间获得27条吸收谱线,传感灵敏度明显提高,证实了系统改进的有效性。制作不同长度的气室研究了本系统中气体传感的最佳吸收光程长问题。对腔内吸收光谱谱线提取方法进行了研究,选取小波零交叉法、小波变换迭代法和小波变换形态学结合法等三种方法对不同实验方法获取的扫描谱进行谱线提取;对腔内吸收调制光谱,通过相关分析推出当调制频率较低时,各阶次的谐波谱与调制光谱的各阶傅里叶变换成正比,应用虚拟仪器技术由离散傅里叶法直接计算谐波谱,并提出将二次谐波谱作为反演目标气体浓度的依据,标定谱线吸收波长则采用三次谐波谱。分别采用单谱线法和多谱线平均法计算浓度反演的误差,分析了本传感系统的定量能力。为解决可调滤波器驱动电压与对应波长值漂移导致难以精确定位谱线波长问题,提出引入布拉格光栅作为参考的谱线波长标定方法:采用高斯拟合定位谱峰峰值,寻找对应的F-P滤波器驱动电压,以经过温度补偿的布拉格光栅中心波长的精确值作为标准,由多项式拟合得到驱动电压与波长的关系曲线,对吸收谱线波长进行标定。在此工作基础上评价了传感系统用于多气体传感的定性能力,实验表明传感系统采用该方法后波长标定误差降至0.1 nm,达到多气体组分谱线分析的要求。
【图文】：

原理,朗伯-比尔定律,光子

的状态是由环绕原子核的电子在所处经过的光子能量等于两条轨道的能从而激发到能量较高的轨道上。分子决定，这些振动和转动的模式具有散的，也可以吸收合适能量的光子，经历一段很短的随机时间后，，都会电子释放一个光子，回到原较低能级放一个光子。但释放的光子随机向各经过样品过后，一些特定频率的光子结构和运动状态决定，这种衰减宏谱来对物质进行检测和定性研究。I0波长为λ的平行单色光通过长度为l吸收池后（如图 1-1 所示），由于吸

原理,激光腔内吸收光谱

只能用于大气成分，且仅能得到整个吸收路径目标气体的平均浓度；2）使用多次反射池如怀特池将吸收光程放大，最多可放大约 100 倍，1的多次反射池有效吸收光程可达 1 km，这种放大由反射镜损耗和各次反射需要的互不干扰的空间所限制；3）将样品吸收池置于激光谐振腔内，利用光子在腔内的多次往返增加有收光程，通过瞬态特性传感采用时间分辨测量称为衰荡腔光谱法（Cang-down Spectroscopy，CRDS），通过稳态特性传感采用光强分辨测量即为腔内吸收光谱法。.1.2 激光腔内吸收光谱激光腔内吸收光谱的基本原理：样品池与激光工作物质一样置于谐振腔两射率腔镜之间，工作物质被泵浦形成粒子数反转后，符合相位条件的光子在间来回反射，经过工作物质被增益，经过样品池时被吸收而衰减，当增益大减时这些光子将不断放大最后达到激发阈值形成激光，此时出射的激光将包品的吸收光谱信息[25-30]，如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.51

【参考文献】