光纤型石英增强光声光谱技术研究

摘要

近年来，随着工业化进程的加速，人类活动对大气环境的影响越来越明显。随着激光器件的研究进步以及激光光谱技术的发展，使得利用激光光谱式手段来进行痕量气体检测成为了一个热点研究发展方向。其中，石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy, QEPAS)以其独特的优势，已成为光谱式痕量气体检测技术研究领域的重要分支。在传统的QEPAS技术系统中，常采用一组准直聚焦透镜来实现激励光源的光路传输，然而光学准直聚焦系统由于其结构稳定性不佳、组合透镜的尺寸难以减小等缺点，使得系统难以适应一些空间狭小、恶劣等特殊环境的应用要求。针对这一现状，本文采用光纤束来代替传统光学准直聚焦系统，对光纤型QEPAS系统展开研究。
　　本文首先对石英增强光声光谱技术的基本原理以及基础理论作出介绍。简要介绍了气体红外吸收的基本原理，分析了光声效应以及传统光声光谱技术，同时对石英增强光声光谱的典型系统与实现过程作了详述。最后，针对该技术核心元器件石英音叉研制材料的基本特性以及它在电路系统中的电学特性作了简要介绍。
　　其次，对QEPAS系统中的激光波长调制技术进行了理论计算。结合气体红外吸收的基本理论，经过一系列公式推导，得到了系统二次谐波信号与激光波长调制深度的变化规律。同时，利用有限元软件COMSOL Multiphysics对光纤横截面的光场分布进行模拟，计算出光纤倏逝场的功率比例。理论仿真计算结果表明：系统存在一个最佳的调制深度，同时随着光纤直径的减小，光纤倏逝场会逐渐增强。
　　最后，对全光纤结构的QEPAS技术进行了实验研究。并提出了利用光纤分束器建立多点测量光纤QEPAS系统研究方案，成功实现了痕量气体的空间多点分布测量。接着开展了光纤倏逝波QEPAS技术的实验研究，并提出了利用单束多锥区光纤分别建立多点倏逝波QEPAS技术实验研究方案，最终成功实现了痕量气体的多点空间分布测量。综合实验研究成果，本论文对痕量气体的空间多点分布测量研究提供了两种有效的实现方案，进一步丰富了光纤型QEPAS技术痕量气体检测领域的研究。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 痕量气体检测技术

1.3 国内外研究进展及分析

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 石英增强光声光谱基本理论

2.1 气体分子吸收基本理论

2.2 光声光谱原理

2.3 石英音叉

2.4 石英增强光声光谱技术

2.5 本章小结

第3章 激光波长调制优化与光纤倏逝场计算

3.1 波长调制深度优化

3.2 光纤倏逝场仿真

3.3 本章小结

第4章 全光纤光路QEPAS技术研究

4.1 单光纤QEPAS技术实验研究

4.2 光纤QEPAS空间分布测量技术研究

4.3 本章小结

第5章 光纤倏逝波QEPAS技术研究

5.1 单锥光纤倏逝波QEPAS技术实验研究

5.2 光纤倏逝波QEPAS空间分布测量技术研究

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢