光腔衰荡吸收光谱系统设计与实现

摘要

光腔衰荡光谱(Cavity ring down spectroscopy，CRDS)技术是一种新型的间接吸收光谱检测技术，在大气化学、化学反应动力学研究、痕量气体的监测、等离子物种的诊断、污染物的监测控制等领域有广泛应用。经过近三十年的发展，国外已经有基于CRDS的商品化仪器出现，但国内对CRDS的研究大多还处于实验室阶段，由于国外仪器引进价格昂贵且后期维护繁琐。因此，开展CRDS技术方面的研究，对基于CRDS原理的仪器国产化有积极意义。基于此，本论文完成了CRDS系统设计与搭建，电路测试，信号分析和系统可行性验证等内容。
　　基于波长扫描法，本论文以DFB封装的近红外可调谐连续半导体激光器作光源搭建了小型CRDS系统。设计了一种用两面99.99％高反镜组成谐振腔的小气室吸收池，搭建了以谐振腔为中心左右对称的光路结构，实现了触发电路用于控制AOM对激光的关断，编写了用于处理衰荡信号的采集程序，介绍了CRDS系统的工作流程。
　　完成了系统电路的测试，通过电路仿真和光学系统真实信号测试对比所设计的多种触发电路的工作特性，确定了OPA2365-555单稳态触发电路和信号放大电路集成并使用PIC16F87辅助调节的实验方案，将电路响应时间控制在200ns以内，实现了对激光的快速关断。
　　完成了系统软件的调试，基于L-M算法对衰荡曲线进行非线性拟合获得了衰荡时间。通过讨论时间窗和平均次数对拟合时间的影响，确定了拟合起始点和采集平均次数，提升了信噪比。最终获得了H2O在6626.47cm-1、6626.52cm-1、6627.7cm-1以及6628.25cm-1等处的衰荡谱线，证明了本CRDS系统可高分辨率探测样品的吸收光谱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 光谱技术与发展

1．3 新型激光吸收光谱

1．3．1 激光腔内吸收光谱(ICLAS)

1．3．2 腔增强吸收光谱(CEAS)

1．3．3 腔衰荡光谱(CRDS)

1．4 论文工作安排

第2章 CRDS原理与系统组成

2．1 CRDS技术的基本原理

2．2 国内外CRDS技术的发展

2．2．1 国外CRDS技术的发展

2．2．1 国内CRDS技术的发展

2．3 CRDS的系统组成

2．3．1 光学谐振腔

2．3．2 谐振腔稳定存在的模式

2．3．3 高斯光束

2．3．4 模式匹配

第3章 CRDS系统设计与搭建

3．1 系统的总体设计

3．2 光源的选择与定标

3．2．1 光源介绍

3．2．2 光源定标

3．2．3 光纤准直器

3．2．4 光纤隔离器

3．3 吸收池的设计与加工

3．3．1 吸收池的设计要求

3．3．2 吸收池的设计与实现

3．3．3 光路设计和调节

3．4 AOM的选择与优化

3．4．1 AOM的选择

3．4．2 AOM触发电路设计

3．5 信号采集的设计与实现

3．5．1 探测器

3．5．2 信号采集要求

3．5．3 信号采集与处理软件

3．6 系统工作流程

第4章 CRDS系统电路测试

4．1 单门限触发电路

4．2 双门限触发电路

4．3 LM358-555单稳态触发电路

4．4 OPA2365-555单稳态触发电路

4．5 集成放大-触发电路

4．6 系统电路完善

第5章 CRDS信号获得与优化

5．1 衰荡信号的获得

5．2 衰荡信号的优化

5．2．1 拟合起始点问题

5．2．2 平均次数问题

5．3 H2O的光腔衰荡吸收光谱

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢