發(fā)布時間：2020-03-09 00:54

【摘要】：激光腔內吸收光譜自被提出以來因其高靈敏度特性一直為各國學者所關注,被廣泛應用于氣體、液體和等離子體等介質中粒子弱吸收的探測。光纖技術的發(fā)展使分布式腔內吸收光譜檢測成為可能,但目前還沒有成熟的商品儀器出現(xiàn)。本文基于光纖環(huán)腔激光器構建腔內吸收傳感系統(tǒng)研究痕量氣體的全光纖、準分布式測量。 在對系統(tǒng)器件進行分析和簡化傳輸函數(shù)的基礎上,闡述了腔內吸收光譜的形成條件,理論推導了光纖環(huán)腔腔內吸收傳感系統(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)輻射譜和氣體腔內吸收光譜,驗證了本系統(tǒng)光譜波長掃描測量的可行性。 針對放大自發(fā)輻射噪聲和標準具噪聲等對腔內吸收光譜檢測的干擾問題,將低頻波長掃描和波長調制技術相結合應用于腔內吸收氣體傳感系統(tǒng),通過理論分析和實驗確定調制參數(shù)。對1%濃度的乙炔氣體進行傳感,在1526.5~1537 nm波長區(qū)間檢測到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。為增強傳感性能,對波長掃描方式加以優(yōu)化并再次實驗乙炔傳感,未采用波長調制技術便在1525~1545 nm波長區(qū)間獲得27條吸收譜線,傳感靈敏度明顯提高,證實了系統(tǒng)改進的有效性。制作不同長度的氣室研究了本系統(tǒng)中氣體傳感的最佳吸收光程長問題。 對腔內吸收光譜譜線提取方法進行了研究,選取小波零交叉法、小波變換迭代法和小波變換形態(tài)學結合法等三種方法對不同實驗方法獲取的掃描譜進行譜線提取;對腔內吸收調制光譜,通過相關分析推出當調制頻率較低時,各階次的諧波譜與調制光譜的各階傅里葉變換成正比,應用虛擬儀器技術由離散傅里葉法直接計算諧波譜,并提出將二次諧波譜作為反演目標氣體濃度的依據(jù),標定譜線吸收波長則采用三次諧波譜。分別采用單譜線法和多譜線平均法計算濃度反演的誤差,分析了本傳感系統(tǒng)的定量能力。 為解決可調濾波器驅動電壓與對應波長值漂移導致難以精確定位譜線波長問題,提出引入布拉格光柵作為參考的譜線波長標定方法:采用高斯擬合定位譜峰峰值,尋找對應的F-P濾波器驅動電壓,以經(jīng)過溫度補償?shù)牟祭窆鈻胖行牟ㄩL的精確值作為標準,由多項式擬合得到驅動電壓與波長的關系曲線,對吸收譜線波長進行標定。在此工作基礎上評價了傳感系統(tǒng)用于多氣體傳感的定性能力,實驗表明傳感系統(tǒng)采用該方法后波長標定誤差降至0.1 nm,達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，這些振動和轉動的模式具有散的，也可以吸收合適能量的光子，經(jīng)歷一段很短的隨機時間后，，都會電子釋放一個光子，回到原較低能級放一個光子。但釋放的光子隨機向各經(jīng)過樣品過后，一些特定頻率的光子結構和運動狀態(tài)決定，這種衰減宏譜來對物質進行檢測和定性研究。I0波長為λ的平行單色光通過長度為l吸收池后（如圖 1-1 所示），由于吸

只能用于大氣成分，且僅能得到整個吸收路徑目標氣體的平均濃度；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 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，利用光子在腔內的多次往返增加有收光程，通過瞬態(tài)特性傳感采用時間分辨測量稱為衰蕩腔光譜法（Cang-down Spectroscopy，CRDS），通過穩(wěn)態(tài)特性傳感采用光強分辨測量即為腔內吸收光譜法。.1.2 激光腔內吸收光譜激光腔內吸收光譜的基本原理：樣品池與激光工作物質一樣置于諧振腔兩射率腔鏡之間，工作物質被泵浦形成粒子數(shù)反轉后，符合相位條件的光子在間來回反射，經(jīng)過工作物質被增益，經(jīng)過樣品池時被吸收而衰減，當增益大減時這些光子將不斷放大最后達到激發(fā)閾值形成激光，此時出射的激光將包品的吸收光譜信息[25-30]，如圖 1-2 所示。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R318.51

【參考文獻】

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1 李登峰,雷芳,林海峰;摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出功率與摻鉺光纖長度和耦合比之間的定量分析[J];重慶郵電學院學報(自然科學版);2005年02期

2 劉瑾;楊海馬;王玉田;;新型光纖乙炔氣體傳感器的研究[J];傳感技術學報;2006年03期

3 郭彤;胡春光;陳津平;傅星;胡小唐;;MEMS顯微干涉測量系統(tǒng)中相移器性能的研究[J];傳感技術學報;2006年05期

4 韓文念;馬鳳;汪f

本文編號：2585683