【摘要】：中紅外波段覆蓋了大量氣體分子的基帶吸收線,其吸收強(qiáng)度比近紅外波段高2-3個數(shù)量級。因此,基于中紅外激光的吸收光譜技術(shù)可實現(xiàn)氣體種類、濃度等信息的高靈敏度探測,在環(huán)境監(jiān)測、礦床開發(fā)、醫(yī)學(xué)診斷、星際探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值�；跍�(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)差頻產(chǎn)生(DFG)的中紅外光源,因具有室溫工作、窄線寬、輸出光束質(zhì)量好等優(yōu)點,目前已成為大氣痕量氣體檢測的首選光源。本論文基于MgO:PPLN晶體搭建了中紅外DFG系統(tǒng),并深入研究了該系統(tǒng)的輸出性能,在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了 CH4氣體光譜檢測系統(tǒng),具體研究內(nèi)容如下:1、從非線性光學(xué)理論出發(fā),結(jié)合DFG基本原理,討論了實現(xiàn)相位匹配的常用技術(shù),分析了晶體周期、溫度、角度和波長的接受帶寬對DFG/QPM的影響。2、以1060nm和1550nm波段窄線寬激光器作為基頻光源,采用周期30.3μm的MgO:PPLN晶體作為非線性晶體,獲得了連續(xù)波可調(diào)諧中紅外光源。通過理論與實驗分析了基頻光功率、晶體長度、聚焦參數(shù)等因素對DFG系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響,此外,系統(tǒng)的研究了晶體溫度及基頻光波長調(diào)諧特性。實驗結(jié)果表明,該DFG系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率約為191μW/(W2·cm),MgO:PPLN晶體的溫度接受帶寬約為4.2℃,泵浦光波長匹配帶寬約為5.8nm,中紅外波長調(diào)諧范圍可達(dá)到390nm,系統(tǒng)在2小時內(nèi)的功率波動小于5%。3、采用直接吸收光譜技術(shù),通過外加10Hz的三角波信號掃描泵浦光波長,測得了 CH4分子2999.01cm-1處的吸收光譜。實驗結(jié)果顯示,CH4分子吸收峰半高寬約為0.227cm-1,與HITRAN數(shù)據(jù)庫中理論值0.202cm-1相比,相對誤差較小,表明該中紅外DFG光源系統(tǒng)具有很好的窄線寬特性,適用于氣體的高靈敏度、高分辨率光譜檢測分析。
【圖文】：

ｐｐｔ－ｐｐｍ量級范圍ｌＵ１。日益嚴(yán)重的大氣污染問題，加劇了溫室效應(yīng)，破壞了大氣臭氧層，逡逑同時頻繁的引發(fā)霧桯天氣、酸雨等現(xiàn)象，給人類造成了巨大的健康損失和經(jīng)濟(jì)損失（如逡逑圖１．１）。如何對大氣污染中的痕量氣體進(jìn)行有效監(jiān)測，己成為亟待解決的問題。逡逑t壎卣財疲ㄎ率倚вΑ義希疲海義閑穡�，．；NB邋．邋．邋４邋霧１１逡逑圖１．１大氣污染的危害逡逑目前，主要采用化學(xué)法和光譜法對大氣痕量氣體進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的化學(xué)法是在取氣逡逑采樣后進(jìn)行實驗分析，存在操作復(fù)雜、精確度低等問題�，F(xiàn)代化學(xué)法主要是利用氣體的逡逑一些化學(xué)特性進(jìn)行分辨和測量，常常用于光譜學(xué)技術(shù)測量的對比測量中，其測量技術(shù)主逡逑要包括：化學(xué)發(fā)光測量技術(shù)、色譜、質(zhì)譜分析和色譜－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、基體分離和電子逡逑自旋共振法等［３］。光譜學(xué)檢測法是通過物質(zhì)本身的（分子、原子或離子）性質(zhì)及相力：之逡逑間作用表現(xiàn)的特征性，并通過一定的手段研究分析其變化規(guī)律，以某種光譜形式表征出逡逑來。光譜學(xué)檢測法具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量范圍廣、在線檢測等優(yōu)點，己經(jīng)逡逑大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如今常用的光譜檢測技術(shù)有差分吸收激光Ｕ；？達(dá)（ＤＩＡＬ）、差逡逑分光學(xué)吸收光譜（ＤＯＡＳ）、可調(diào)諧半牙體激光吸收光譜（ＴＤＬＡＳ）等｜４１。逡逑Ｉ逡逑

炎、流感、哮喘等［１（），１１］。不僅比傳統(tǒng)的抽血化驗等方法簡便，還能避免給患者造成痛苦；逡逑在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以通過探測生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體種類和濃度，保障工人的生命安逡逑全｜１２］。圖１．２為中紅外光源的一些實際應(yīng)用場景。逡逑圖１．２中紅外光源的應(yīng)用逡逑１．２常見的中紅外光源逡逑目前，基于不同激光產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生了多種中紅外光源，如鉛鹽半導(dǎo)體激光器、色心逡逑激光器、量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器（ＱＣＬ）、光學(xué)參量振蕩器（ＯＰＯ）、差頻產(chǎn)生（ＤＦＧ）中紅外逡逑光源等１１３＿１５１。逡逑１９６３年，麻省理工學(xué)院首先報道了通過采用ＰｂＴｅ材料可以生產(chǎn)出波長為６．５｜ｉｍ的逡逑鉛鹽激光器，此后，鉛鹽激光器的制作技術(shù)得到了飛速發(fā)展。１９６９年，基于半導(dǎo)體材逡逑料制作的鉛鹽激光器的波長覆蓋范圍己達(dá)到２．７－３３卜ｉｍ，輸出功率約為１－１０Ｗ。鉛鹽半逡逑導(dǎo)體激光器大多采用的是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)或掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基本的發(fā)射波長由Ｓ、Ｓｅ、Ｐｂ逡逑等元素在合成材料中的比例決定［１６］。鉛鹽半導(dǎo)體激光器可以通過調(diào)節(jié)溫度或者丁作電逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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1 常建華;黃秦;顧久馭;王亞煒;尹杰;;基于PPLN溫度漸變控制的寬調(diào)諧中紅外差頻產(chǎn)生激光光源[J];中國激光;2013年12期

2 陳東;張伯昆;胡燮;劉文清;張玉鈞;;基于差頻中紅外激光的痕量氣體高分辨光譜檢測研究[J];光子學(xué)報;2012年06期

3 曹家年;張可可;王琢;楊蕊;;可調(diào)諧激光吸收光譜光纖甲烷傳感器研究[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2011年03期

4 胡慧鋪;徐曉潔;張阿宏;張曄暉;;HITRAN數(shù)據(jù)庫在甲烷檢測儀開發(fā)中的應(yīng)用[J];微計算機(jī)信息;2008年28期

5 闞瑞峰;劉文清;張玉鈞;劉建國;董鳳忠;王敏;高山虎;陳東;;基于可調(diào)諧激光吸收光譜的大氣甲烷監(jiān)測儀[J];光學(xué)學(xué)報;2006年01期

6 李寧,王飛,嚴(yán)建華,馬增益,岑可法;利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對氣體濃度的測量[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2005年15期

7 董鳳忠,闞瑞峰,劉文清,劉建國,張玉鈞,高山虎,王鐵棟,王敏,陳東,魏慶農(nóng);可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)及其在大氣質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用[J];量子電子學(xué)報;2005年03期

8 葉險峰,湯偉中;CH_4氣體光纖傳感器的研究[J];半導(dǎo)體光電;2000年03期

9 曹莊琪;丁堯耕;楊傅子;;化學(xué)量光纖傳感器的原理及實驗研究[J];紅外技術(shù);1991年03期

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1 杜彬彬;基于MEMS紅外光源的長光程甲烷氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計[D];中北大學(xué);2014年

2 秦雪飛;基于PPLN晶體的中紅外差頻激光技術(shù)研究[D];浙江師范大學(xué);2013年

3 劉中亮;基于TDLAS的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D];合肥工業(yè)大學(xué);2013年

4 齊汝賓;基于調(diào)諧激光光譜技術(shù)的痕量氣體檢測技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2008年

5 李俊杰;InGaN/GaN量子阱中的非線性光學(xué)性質(zhì)研究[D];武漢大學(xué);2005年

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本文編號：2628199