光腔衰荡光谱技术在痕量气体浓度测试中的方法研究

摘要

大气层是孕育和呵护生命的基础，但人类无节制的活动使得目前大气组分经历着剧烈的改变。特别是在我国，由于长期忽视经济发展与环境保护之间的联系，环境污染尤其是大气污染问题尤为突出。如何有效监测大气中痕量污染气体的浓度，以了解大气中的理化过程，进而有效防治大气污染具有重要意义。
　　由于传统的痕量气体检测技术具有诸多弊端，因此非接触式、实时性好、灵敏度高的光学检测方法逐渐成为痕量气体浓度检测的主流技术。腔衰荡吸收光谱技术通过谐振腔的光学特性增加等效吸收路径，具有极高的探测灵敏度。本文系统地研究并实现了腔衰荡吸收光谱技术，并在此基础上完成了CO2浓度检测，主要工作如下:
　　首先研究了光腔衰荡光谱技术的基础理论，包括谐振腔稳定条件、模式理论、损耗特性及气体浓度测量的实现方法等，设计了结构简单、易于调节的光学谐振腔，并以此为核心搭建了CRDS系统实验平台。其次，研究了系统光路调节方法，通过扫描激光器频率实现了激光器与光学谐振腔的模式耦合，获得了稳定的透射信号并测量了空腔衰荡时间，完成了腔镜反射率测定和系统等效吸收光程的估算。然后分析了激光器扫描频率对透射信号的影响，确定了系统最佳扫描频率。配置标准浓度CO2气体并测量其衰荡时间，完成了CO2气体浓度的标定，最后通过测量不同浓度的气体对系统进行了检验，并通过卡尔曼滤波算法对系统进行了优化。结果表明，该实验系统能够完成CO2浓度的正确测量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 气体浓度检测的吸收光谱技术概述

1．3 光腔衰荡谱技术概述及国内外研究现状

1．3．1 光腔衰荡谱技术概述

1．3．2 CRDS技术国外研究现状

1．3．3 CRDS技术国内研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 CRDS技术基本原理

2．1 光谱学基本原理

2．1．1 光子的选择吸收特性

2．1．2 Lambert-Beer定律

2．2 光学谐振腔腔稳定条件

2．3 谐振腔的模式理论

2．3．2 光学谐振腔的纵模特征

2．3．3 光学谐振腔的横模特征

2．3．4 光学谐振腔损耗

2．4 CRDS技术基本原理

2．4．1 CRDS技术测量原理

2．4．2 腔增强吸收光谱技术简介

2．5 本章小结

第三章 CRDS系统实验平台搭建

3．1 CRDS系统总体结构设计

3．2 光学谐振腔的建立

3．2．1 谐振腔腔镜选型

3．2．2 谐振腔结构设计

3．3 激光器的选取及其静态特性

3．3．1 激光器的选型

3．3．2 激光器的静态特性

3．3．3 激光器线宽对耦合效率的影响

3．4 CRDs系统其他设备简介

3．4．1 光电探测器

3．4．2 微型光纤准直器

3．4．3 气体控制系统

3．4．4 数据采集与激光器控制系统

3．5 本章小结

第四章 谐振腔的光学特性

4．1．1 频率匹配方式

4．1．2 系统光路调整

4．1．3 大范围扫描信号

4．2 激光器扫描频率对透射信号的影响

4．3 空腔衰荡时间及腔镜反射率的标定

4．4 本章小结

第五章 基于CRDS技术的CO2浓度检测

5．2 CO2吸收光谱测量

5．3 最佳扫描频率的确定

5．4 基于快速扫描CRDS技术的CO2气体浓度测量

5．4．1 CO2气体浓度标定实验

5．4．2 实验数据处理

5．5 系统验证与优化

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果