本文關(guān)鍵詞：基于連續(xù)波腔衰蕩光譜的痕量氣體檢測(cè)技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 腔衰蕩光譜 吸收光譜 空間效應(yīng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 反射光控制

【摘要】：隨著現(xiàn)代化和工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展,人們將工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中產(chǎn)生的大量廢氣(如硫的氧化物、氮的氧化物、有機(jī)化合物、鹵化物、碳化合物等)排放到大氣中,造成了嚴(yán)重的大氣污染。在給人類帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),危害了人類身體健康,生物的生存和發(fā)育,導(dǎo)致了酸雨腐蝕物體,臭氧層破壞,全球氣候變暖等惡劣的影響。因此,為了盡可能的減少大氣污染造成的危害,對(duì)污染氣體進(jìn)行檢測(cè),及時(shí)掌握污染氣體的排放和分布情況對(duì)于環(huán)境保護(hù)有著特別重要的意義。連續(xù)波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)技術(shù)是一種高靈敏的激光吸收光譜技術(shù),它通過測(cè)量高精細(xì)度腔內(nèi)光強(qiáng)的衰減率來(lái)確定目標(biāo)樣品的吸收信息。與其它的激光吸收光譜技術(shù)相比,CW-CRDS技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)CW-CRDS測(cè)量的是腔內(nèi)激光強(qiáng)度的時(shí)間行為,因此它不受激光強(qiáng)度起伏的影響；(2)高精細(xì)度腔的使用大大增加了激光與氣體介質(zhì)相互作用的路徑；(3)CW-CRDS技術(shù)是一種免定標(biāo)的光譜測(cè)量方法；(4)CRDS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單,方便操作。本文把CW-CRDS技術(shù)作為主要的研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)上搭建了一套基于CW-CRDS技術(shù)的痕量氣體檢測(cè)裝置。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中存在的不穩(wěn)定因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析及優(yōu)化,并基于CW-CRDS技術(shù)對(duì)痕量氣體檢測(cè)進(jìn)行了深入的研究。主要工作如下：1.從光學(xué)腔的基本特性出發(fā),將光學(xué)腔的損耗與腔內(nèi)光子的壽命聯(lián)系起來(lái),闡述了衰蕩光譜測(cè)量的基本原理。進(jìn)一步基于窄線寬連續(xù)激光源對(duì)衰蕩腔的響應(yīng)特性、高斯光束傳輸特性、腔的模式理論以及激光與腔的空間模式匹配進(jìn)行了詳細(xì)分析。為CW-CRDS技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。2.設(shè)計(jì)并搭建了一套基于CW-CRDS技術(shù)的用于痕量氣體檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中搭建的高精細(xì)度腔的腔鏡反射率在1.53μm附近約為99.935%,對(duì)應(yīng)的腔的衰蕩時(shí)間為2.02μs左右,腔的精細(xì)度約為4832,等效吸收路徑約為606m。對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的DFB激光器、聲光調(diào)制器(AOM)、閾值電路等的工作原理進(jìn)行了分析,并對(duì)其響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。進(jìn)一步,為了保證激光到腔的高效耦合,通過激光輸出高斯光束的測(cè)量以及內(nèi)腔模式的計(jì)算,選擇了合適的透鏡實(shí)現(xiàn)了兩者之間的空間模式匹配。此外,還研究了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)衰蕩時(shí)間測(cè)量的影響并進(jìn)行了優(yōu)化。3.基于建立起的CW-CRDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了氣體檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究。首先分別基于1531nm的光纖激光器和1528nm的DFB激光器對(duì)C2H2氣體在6531.7805cm"1和6544.4419cm-1處的吸收線進(jìn)行了測(cè)量,在探測(cè)壓強(qiáng)分別為78.2Torr和92Torr時(shí)獲得了7.5ppb和9.9ppb的探測(cè)靈敏度。此外,又基于1578nm的DFB激光器對(duì)CO2氣體在6330.821cm-1處的吸收線進(jìn)行了測(cè)量。并在將激光頻率鎖定到吸收線中心位置的情況下,對(duì)室內(nèi)CO2的濃度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。通過閾值去噪、多次平均和Kalman濾波等手段對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化處理,使測(cè)量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的反映CO2濃度的變化。4.在對(duì)空腔的衰蕩時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)過程中觀察到了一種空間效應(yīng),具體表現(xiàn)為衰蕩時(shí)間的測(cè)量與探測(cè)器的空間位置以及光斑與探測(cè)器窗口的相對(duì)大小有關(guān)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的產(chǎn)生是由探測(cè)器窗口的非均勻響應(yīng)導(dǎo)致的,并且建立了一套理論模型對(duì)空間效應(yīng)進(jìn)行了解釋。根據(jù)氣體吸收光譜的測(cè)量影結(jié)果,證明空間效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的內(nèi)腔損耗估計(jì)和氣體吸收測(cè)量。因此,在CW-CRDS實(shí)驗(yàn)中我們要保證光斑與探測(cè)器完全對(duì)準(zhǔn),同時(shí)要對(duì)腔的透射光斑進(jìn)行聚焦,保證探測(cè)時(shí)光斑能夠與探測(cè)器的有效探測(cè)器區(qū)域相匹配。5.區(qū)別于經(jīng)典的光學(xué)腔的靜態(tài)響應(yīng)分析,我們對(duì)衰蕩腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,相比于透射光信號(hào)強(qiáng)度來(lái)講,腔的反射光信號(hào)強(qiáng)度受腔長(zhǎng)調(diào)制頻率以及內(nèi)腔吸收損耗變化的影響較小,說明反射光在信號(hào)處理過程中更具有優(yōu)勢(shì)。此外,我們發(fā)現(xiàn)通過對(duì)腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)量和分析可以獲得不同位置處腔長(zhǎng)掃描速率的大小,這對(duì)于PZT的非線性響應(yīng)的校正具有重要的意義。6.提出并發(fā)展了一種基于反射光控制的CW-CRDS技術(shù)。該技術(shù)的主旨在于利用反射光信號(hào)幅度的變化來(lái)觸發(fā)AOM關(guān)斷激光,取代了傳統(tǒng)技術(shù)中基于閾值電路觸發(fā)控制的機(jī)制。其優(yōu)勢(shì)在于：(1)用于關(guān)斷激光的觸發(fā)信號(hào)和衰蕩事件的提取可以分別從腔的反射光和透射光信號(hào)中獲得,實(shí)現(xiàn)了兩者的分離,避免了閾值電路對(duì)衰蕩事件測(cè)量的影響；(2)腔的反射光信號(hào)強(qiáng)度受氣體濃度變化的影響較小,可以增加基于反射光控制的CW-CRDS光譜測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。在上述的研究工作中,屬于創(chuàng)新性的工作包括以下幾方面：1.在基于CW-CRDS的實(shí)驗(yàn)過程中,在不同數(shù)據(jù)擬合點(diǎn)數(shù)、不同共振模式、不同閾值設(shè)置、不同探測(cè)器、激光波長(zhǎng)掃描等條件下對(duì)衰蕩時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量,分析了它們對(duì)衰蕩時(shí)間測(cè)量的影響。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,保證了衰蕩光譜測(cè)量的準(zhǔn)確性。2.在實(shí)驗(yàn)中觀察到了一種衰蕩時(shí)間測(cè)量隨探測(cè)器位置及光斑大小變化的空間效應(yīng),并通過多種方式進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究表明,空間效應(yīng)的出現(xiàn)是由探測(cè)器的非均勻響應(yīng)導(dǎo)致的。為此,我們建立了一套理論模型來(lái)對(duì)空間效應(yīng)進(jìn)行解釋。此外,根據(jù)氣體吸收光譜的測(cè)量影結(jié)果,證明空間效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的內(nèi)腔損耗估計(jì)和氣體吸收測(cè)量。對(duì)于空間效應(yīng)的研究為CW-CRDS技術(shù)的應(yīng)用提出了新的要求。3.對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的衰蕩腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,腔的反射光信號(hào)強(qiáng)度受腔長(zhǎng)調(diào)制頻率以及內(nèi)腔吸收損耗變化的影響較小,說明反射光在信號(hào)處理過程中比透射光更具有優(yōu)勢(shì)。此外,我們發(fā)現(xiàn)通過對(duì)腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)量和分析可以獲得不同位置處腔長(zhǎng)掃描速率的大小,這對(duì)于校正PZT的非線性響應(yīng)具有重要的意義。4.提出并發(fā)展了基于反射光控制的CW-CRDS技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中利用反射光信號(hào)來(lái)作為觸發(fā)信號(hào)控制AOM關(guān)斷激光,取代了傳統(tǒng)技術(shù)中閾值電路的使用。其優(yōu)勢(shì)在于：(1)將用于關(guān)斷激光的觸發(fā)信號(hào)和衰蕩事件的獲取分離開來(lái),避免了閾值電路對(duì)衰蕩事件測(cè)量的影響；(2)反射光信號(hào)強(qiáng)度在穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)可以增加CW-CRDS光譜測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。
【關(guān)鍵詞】：腔衰蕩光譜 吸收光譜 空間效應(yīng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 反射光控制
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X831
【目錄】：

• 中文摘要12-15
• Abstract15-20
• 第一章 緒論20-34
• 1.1 研究背景及意義20-21
• 1.2 激光吸收光譜技術(shù)概述21-24
• 1.3 腔衰蕩光譜技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用24-27
• 1.4 本文主要工作27-30
• 參考文獻(xiàn)30-34
• 第二章 直接吸收光譜技術(shù)34-44
• 2.1 引言34
• 2.1 Lambert-Beer定律34-36
• 2.2 光譜線型36-39
• 2.2.1 Doppler展寬37
• 2.2.2 碰撞展寬37-39
• 2.2.3 Voigt線型39
• 2.3 定量分析39-40
• 2.4 信號(hào)探測(cè)及噪聲40-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 參考文獻(xiàn)42-44
• 第三章 腔衰蕩光譜技術(shù)的一般原理44-64
• 3.1 引言44
• 3.2 腔衰蕩光譜的測(cè)量原理44-47
• 3.3 光學(xué)諧振腔理論47-56
• 3.3.1 光學(xué)腔的響應(yīng)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 空間模式匹配56-59
• 3.5 本章小結(jié)59-60
• 參考文獻(xiàn)60-64
• 第四章 CW-CRDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化64-88
• 4.1 引言64
• 4.2 實(shí)驗(yàn)裝置64-66
• 4.3 DFB激光器66-67
• 4.4 高精細(xì)度腔67-72
• 4.4.1 腔的設(shè)計(jì)67-68
• 4.4.2 腔內(nèi)高斯光束參量計(jì)算68-70
• 4.4.3 激光高斯光束的測(cè)量70-71
• 4.4.4 激光到光學(xué)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的響應(yīng)測(cè)試73-75
• 4.6 閾值電路75-78
• 4.6.1 555定時(shí)器75-76
• 4.6.2 閾值電路的設(shè)計(jì)及測(cè)試76-78
• 4.7 不同實(shí)驗(yàn)條件下衰蕩時(shí)間的測(cè)量78-85
• 4.7.1 不同數(shù)據(jù)擬合點(diǎn)數(shù)的測(cè)量78-79
• 4.7.2 不同共振模式下的測(cè)量79-81
• 4.7.3 不同閾值設(shè)置下的測(cè)量81-82
• 4.7.4 不同探測(cè)器的測(cè)量82-83
• 4.7.5 激光波長(zhǎng)掃描時(shí)的測(cè)量83-85
• 4.8 本章小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-88
• 第五章 探測(cè)器非均勻響應(yīng)引起的空間效應(yīng)研究88-106
• 5.1 引言88-89
• 5.2 空間效應(yīng)的觀察89-96
• 5.3 探測(cè)器的響應(yīng)分析96-100
• 5.3.1 探測(cè)效率的研究96-98
• 5.3.2 時(shí)間響應(yīng)的研究98-100
• 5.4 空間效應(yīng)的理論模型100-101
• 5.5 空間效應(yīng)對(duì)氣體吸收測(cè)量的影響101-102
• 5.6 本章小結(jié)102-103
• 參考文獻(xiàn)103-106
• 第六章 CW-CRDS技術(shù)用于氣體檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究106-122
• 6.1 引言106
• 6.2 乙炔氣體吸收線的測(cè)量106-110
• 6.2.1 空腔長(zhǎng)期測(cè)量106-108
• 6.2.2 氣體吸收譜線測(cè)量108-110
• 6.3 二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)110-117
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置111-112
• 6.3.2 二氧化碳吸收線的測(cè)量112
• 6.3.3 二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)112-114
• 6.3.4 信號(hào)處理及優(yōu)化114-117
• 6.4 本章小結(jié)117-118
• 參考文獻(xiàn)118-122
• 第七章 基于反射光控制的腔衰蕩光譜測(cè)量122-146
• 7.1 引言122
• 7.2 閾值電路特性對(duì)衰蕩事件測(cè)量的影響122-126
• 7.3 腔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析126-134
• 7.3.1 理論分析126-129
• 7.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量129-134
• 7.4 基于反射光控制的CW-CRDS技術(shù)134-142
• 7.4.1 基本思想134-136
• 7.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置136-137
• 7.4.3 時(shí)序控制137-138
• 7.4.4 數(shù)據(jù)采集優(yōu)化138-139
• 7.4.5 結(jié)果與討論139-142
• 7.5 本章小結(jié)142-144
• 參考文獻(xiàn)144-146
• 第八章 全文總結(jié)與展望146-150
• 成果目錄150-152
• 致謝152-153
• 個(gè)人簡(jiǎn)況153-154
• 承諾書154-156

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本文編號(hào)：659038