【摘要】：激光腔內(nèi)吸收光譜自被提出以來(lái)因其高靈敏度特性一直為各國(guó)學(xué)者所關(guān)注,被廣泛應(yīng)用于氣體、液體和等離子體等介質(zhì)中粒子弱吸收的探測(cè)。光纖技術(shù)的發(fā)展使分布式腔內(nèi)吸收光譜檢測(cè)成為可能,但目前還沒(méi)有成熟的商品儀器出現(xiàn)。本文基于光纖環(huán)腔激光器構(gòu)建腔內(nèi)吸收傳感系統(tǒng)研究痕量氣體的全光纖、準(zhǔn)分布式測(cè)量。 在對(duì)系統(tǒng)器件進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化傳輸函數(shù)的基礎(chǔ)上,闡述了腔內(nèi)吸收光譜的形成條件,理論推導(dǎo)了光纖環(huán)腔腔內(nèi)吸收傳感系統(tǒng)工作的穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型,據(jù)此計(jì)算模擬了光纖環(huán)腔激光器的放大自發(fā)輻射譜和氣體腔內(nèi)吸收光譜,驗(yàn)證了本系統(tǒng)光譜波長(zhǎng)掃描測(cè)量的可行性。 針對(duì)放大自發(fā)輻射噪聲和標(biāo)準(zhǔn)具噪聲等對(duì)腔內(nèi)吸收光譜檢測(cè)的干擾問(wèn)題,將低頻波長(zhǎng)掃描和波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于腔內(nèi)吸收氣體傳感系統(tǒng),通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)確定調(diào)制參數(shù)。對(duì)1%濃度的乙炔氣體進(jìn)行傳感,在1526.5~1537 nm波長(zhǎng)區(qū)間檢測(cè)到17條吸收譜線,證明該方法可有效提高系統(tǒng)氣體傳感的靈敏度。為增強(qiáng)傳感性能,對(duì)波長(zhǎng)掃描方式加以優(yōu)化并再次實(shí)驗(yàn)乙炔傳感,未采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)便在1525~1545 nm波長(zhǎng)區(qū)間獲得27條吸收譜線,傳感靈敏度明顯提高,證實(shí)了系統(tǒng)改進(jìn)的有效性。制作不同長(zhǎng)度的氣室研究了本系統(tǒng)中氣體傳感的最佳吸收光程長(zhǎng)問(wèn)題。 對(duì)腔內(nèi)吸收光譜譜線提取方法進(jìn)行了研究,選取小波零交叉法、小波變換迭代法和小波變換形態(tài)學(xué)結(jié)合法等三種方法對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方法獲取的掃描譜進(jìn)行譜線提取;對(duì)腔內(nèi)吸收調(diào)制光譜,通過(guò)相關(guān)分析推出當(dāng)調(diào)制頻率較低時(shí),各階次的諧波譜與調(diào)制光譜的各階傅里葉變換成正比,應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)由離散傅里葉法直接計(jì)算諧波譜,并提出將二次諧波譜作為反演目標(biāo)氣體濃度的依據(jù),標(biāo)定譜線吸收波長(zhǎng)則采用三次諧波譜。分別采用單譜線法和多譜線平均法計(jì)算濃度反演的誤差,分析了本傳感系統(tǒng)的定量能力。 為解決可調(diào)濾波器驅(qū)動(dòng)電壓與對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)值漂移導(dǎo)致難以精確定位譜線波長(zhǎng)問(wèn)題,提出引入布拉格光柵作為參考的譜線波長(zhǎng)標(biāo)定方法:采用高斯擬合定位譜峰峰值,尋找對(duì)應(yīng)的F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓,以經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)牟祭窆鈻胖行牟ㄩL(zhǎng)的精確值作為標(biāo)準(zhǔn),由多項(xiàng)式擬合得到驅(qū)動(dòng)電壓與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線,對(duì)吸收譜線波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定。在此工作基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了傳感系統(tǒng)用于多氣體傳感的定性能力,實(shí)驗(yàn)表明傳感系統(tǒng)采用該方法后波長(zhǎng)標(biāo)定誤差降至0.1 nm,達(dá)到多氣體組分譜線分析的要求。
【圖文】：

的狀態(tài)是由環(huán)繞原子核的電子在所處經(jīng)過(guò)的光子能量等于兩條軌道的能從而激發(fā)到能量較高的軌道上。分子決定，這些振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的模式具有散的，也可以吸收合適能量的光子，經(jīng)歷一段很短的隨機(jī)時(shí)間后，，都會(huì)電子釋放一個(gè)光子，回到原較低能級(jí)放一個(gè)光子。但釋放的光子隨機(jī)向各經(jīng)過(guò)樣品過(guò)后，一些特定頻率的光子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，這種衰減宏譜來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和定性研究。I0波長(zhǎng)為λ的平行單色光通過(guò)長(zhǎng)度為l吸收池后（如圖 1-1 所示），由于吸

只能用于大氣成分，且僅能得到整個(gè)吸收路徑目標(biāo)氣體的平均濃度；2）使用多次反射池如懷特池將吸收光程放大，最多可放大約 100 倍，1的多次反射池有效吸收光程可達(dá) 1 km，這種放大由反射鏡損耗和各次反射需要的互不干擾的空間所限制；3）將樣品吸收池置于激光諧振腔內(nèi)，利用光子在腔內(nèi)的多次往返增加有收光程，通過(guò)瞬態(tài)特性傳感采用時(shí)間分辨測(cè)量稱為衰蕩腔光譜法（Cang-down Spectroscopy，CRDS），通過(guò)穩(wěn)態(tài)特性傳感采用光強(qiáng)分辨測(cè)量即為腔內(nèi)吸收光譜法。.1.2 激光腔內(nèi)吸收光譜激光腔內(nèi)吸收光譜的基本原理：樣品池與激光工作物質(zhì)一樣置于諧振腔兩射率腔鏡之間，工作物質(zhì)被泵浦形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，符合相位條件的光子在間來(lái)回反射，經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)被增益，經(jīng)過(guò)樣品池時(shí)被吸收而衰減，當(dāng)增益大減時(shí)這些光子將不斷放大最后達(dá)到激發(fā)閾值形成激光，此時(shí)出射的激光將包品的吸收光譜信息[25-30]，如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：R318.51

【參考文獻(xiàn)】

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4 韓文念;馬鳳;汪f

本文編號(hào)：2585683