高漫反射立方腔光线传输规律的研究

摘要

对气体浓度的灵敏探测在环境监控、工业生产、食品安全和医疗等领域都有重要的意义。在各种气体检测方法中，光谱学方法以其对气体的高选择性、抗干扰、高灵敏，非接触性以及可实时在线监控等优点而成为主流的检测手段。在吸收光谱方法中，可以通过在有限的体积内增加气体吸收光程，同时达到检测装置小型化和提高气体探测的灵敏度的目的，这也是最直接有效的方法。本论文采用自主研发的高漫反射立方腔作为气体吸收池，克服了多通池和腔增强等方法干涉条纹的影响，以及多孔散射方法噪声大，系统稳定性及可靠性低的缺点。根据需求可以设计不同形状和规格的腔体，从而使系统的结构简单、成本低，而且更有利于光学检测系统的紧凑性。本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），以氧气为待测气体，研究了高漫反射立方腔和串联方腔的光程延长规律，并开展了利用立方腔测量材料绝对漫反射率方法的研究。
　　首先，开展了高漫反射立方腔作为气体吸收池的基础研究。设计并制作了多种尺寸的高漫反射立方腔，内表面涂层采用防水的高漫反射（反射率>98％）涂料。根据光线在漫反射腔中的辐射传输规律，给出了立方腔有效光程随漫反射率ρ、开孔比f和单次反射平均路径Lave的理论公式。实验基于TDLAS技术，通过测量空气中浓度为21%的氧气在763 nm处不同光程下的吸收信号，给出了高漫反射立方腔有效光程的定标方法。
　　其次，开展了高漫反射立方腔光程延长规律的研究。通过不同探测位置和入射光位置的连续测量实验，证明了立方腔内的光场是均匀稳定的。通过研究立方腔有效光程随开孔比的变化，以理论公式为基础，给出了确定立方腔三个参量ρ、f和Lave的实验方法。通过分析出射和入射附加光程条件，指出需要在立方腔有效光程公式中增加一项附加光程修正项l0。通过分析15 cm边长，内表面漫反射率不同的5种立方腔在不同的修正参数l0下拟合得到的漫反射率以及Lave随漫反射率的变化规律，给出了确定附加光程修正的实验方法。在传统漫反射腔时间响应函数的基础上，给出了在考虑激光入射条件以及开孔比的情况下，修正后的立方腔的时间响应关系。
　　再次，开展了一种新的测量材料漫反射率的方法研究。当待测材料为液体时可以将其喷涂与立方腔内表面，当待测材料为固体时，可以直接将其制作成立方腔。首先测量有效光程随开孔比的变化，根据公式拟合得到立方腔的原始开孔比；然后测量在附加开孔比为零时的有效光程；最后根据公式计算出材料的漫反射率。详细分析了漫反射率测量中误差产生的原因，主要包括定标曲线误差，开孔比的误差和参数公式拟合误差。实验数据表明，漫反射率越高材料其相对测量误差越小，当材料漫反射率从0.867(4)增加到0.9887(3)时，测量的相对误差从0.5%降低为0.03%。对于低漫反射率的材料，可以通过将材料制作成小面积的样品片，通过测量立方腔的平均反射率，然后计算得到样品的反射率。作为一种测量材料绝对漫反射率的新方法，这种方法有很好的应用前景。
　　最后，开展了串联方腔光程延长规律的理论和实验研究。理论研究证明在串联腔连接孔径很小时，串联方腔的有效光程可以近似地看成是两个单腔的有效光程之和。测量了两个8 cm立方腔组成的串联方腔，其有效光程随连接孔径变化的规律，将实验结果与理论结果对比，我们得到如下结论：当串联方腔连接孔径的开孔比小于0.01时，串联腔的有效光程可以近似看成两个单方腔的有效光程之和，当开孔比大于0.01时，此近似不成立。

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第1章 绪 论

1.1. 课题背景及研究的目的和意义

1.2. 气体检测技术概述

1.3. 光程延长技术的国内外研究现状及分析

1.4. 研究的主要内容

第2章 高漫反射立方腔测量原理的研究

2.1. 引言

2.2. 气体探测的TDLAS技术原理

2.3. 立方腔的制作及辐射传输特性

2.4. 立方腔作为气体池的TDLAS氧气测量装置及方法

2.5. 本章小结

第3章 高漫反射立方腔光程延长规律的研究

3.1. 引言

3.2. 立方腔有效光程规律的实验研究

3.3. 漫反射立方腔的附加光程修正

3.4. 漫反射腔时间响应修正

3.5. 本章小结

第4章 利用立方腔测量材料漫反射率方法的研究

4.1. 引言

4.2. 漫反射率测量方法分析

4.3. 利用立方腔测量漫反射率的实验方案

4.4. 漫反射率测量的误差分析

4.5. 本章小结

第5章 串联方腔光程延长规律的研究

5.1. 引言

5.2. 串联方腔有效光程的理论模型

5.3. 串联方腔有效光程的实验研究

5.4. 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及专利

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