连续波腔衰荡光谱技术特性及在气体浓度测量中应用研究

论文摘要

气体浓度检测对于工业安全生产和人类生活有重大的意义。工业生产过程中产生的不同程度有毒有害、易燃易爆气体严重地污染着环境,威胁人类的健康和工业生产安全。随着光谱学、激光技术、光纤技术、材料科学和化学分析等领域的迅速发展和相互渗透,出现了光腔衰荡、薄膜吸收和腔增强吸收等新的气体浓度测量方法及理论。基于连续波的腔衰荡光谱技术（CW-CRDS）因其具有更高的光谱分辨率和检测灵敏度,成为近年来研究热点。本文就连续波光腔衰荡法中衰荡腔特性及相关参数的影响进行了深入研究,对基于CW-CRDS的气体浓度测量进行了理论与实验研究。对气体分子的近红外选择吸收理论作了详细论述,给出气体吸收测量的理论依据,研究了多种气体的吸收谱线。给出了腔衰荡光谱技术进行气体浓度测量的基本原理,介绍了无源光腔的内在特性,介绍了激光与衰荡腔模式的基本概念。给出了两种激光频率和腔模式耦合的方法,详细推导了两种方法的出射电场和入射光频率、扫描速度及介质吸收之间的关系。对不同腔镜反射率及扫描速度与透射特性关系进行了较为深入的研究。详细分析了衰荡腔内两种噪声产生的原因和抑制方法,指出在连续波腔衰荡技术中,一种噪声是由于在激发腔的TEM00模式同时,通过腔镜表面的散射耦合激发了腔的高阶横模TEMmn,当这些模式接近简并时,即使每次反射的耦合强度非常小,也会导致耦合模式在衰荡信号中产生拍频噪声。实验中,在腔内特定位置放置一个内腔光阑,抑制高阶横模的产生,就能够有效地削弱这种噪声。另一种噪声是由于腔镜的线性双折射引起残余应变引入的拍频噪声。在腔镜的高反射涂层上由于线性残余或应力引起的双折射也会使TEM00模式的两个偏振态离开简并状态,产生两个新的本征偏振态,与线性偏振态非常接近。由于偏振依赖于高反射镜的损耗,这两个新的本征态不再正交,与原信号耦合进而在衰荡信号中产生拍频噪声。通过在腔镜前面和后面各放置一个偏振片,控制入射光的偏振态或着调整探测器,这种噪声能被移除。研究了一种快速切断入射激光的激光失谐调制方法。这种方法不需要外加光开关来切断光源,使系统更加简便。在此基础上,提出了一种基于连续波的腔衰荡光谱技术测量系统,利用所设计的系统对气体浓度进行了实验分析,讨论了衰荡时间与待测气体浓度之间的关系。光纤环形腔衰荡光谱技术是在腔衰荡光谱技术与光纤传感技术结合的基础上,产生的一种高灵敏度的吸收光谱技术。本文针对光纤环形衰荡腔的不足,设计了基于光纤环形腔循环衰荡法的双环路气体浓度测量系统。分析了系统中关键器件的性能和原理,设计了增益稳定的掺铒光纤放大器,并进行了相关实验。研究了放大自发辐射噪声（ASE）对系统测量精度的影响,提出采用自适应滤波的方法滤除ASE噪声。分析了腔内不同浓度气体的衰荡规律,研究了衰荡时间与气体浓度的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体浓度测量方法概述
• 1.2.1 热催化法
• 1.2.2 气相色谱法
• 1.2.3 光学干涉法
• 1.2.4 光谱法
• 1.3 腔衰荡光谱技术研究发展现状
• 1.3.1 腔衰荡光谱技术的研究分类
• 1.3.2 腔衰荡光谱技术的国外研究进展与现状
• 1.3.3 腔衰荡光谱技术的国内研究进展与现状
• 1.4 论文的研究目的和主要研究内容
• 1.4.1 论文的研究目的
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 第2章 腔衰荡光谱技术理论与分析方法
• 2.1 光子的选择吸收特性和吸收定律
• 2.1.1 光子的选择吸收特性
• 2.1.2 光子的吸收定律
• 2.2 腔衰荡光谱技术原理
• 2.3 腔衰荡光谱技术的检测灵敏度
• 2.4 无源光腔特性分析
• 2.5 衰荡腔模式理论
• 2.5.1 衰荡腔谐振条件
• 2.5.2 腔的纵模分布
• 2.5.3 腔的横模分布
• 2.5.4 衰荡腔的模式匹配
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于CW-CRDS 技术的衰荡腔特性研究
• 3.1 模式耦合方法研究
• 3.1.1 扫描激光频率耦合的透射光强分析
• 3.1.2 扫描腔长耦合的透射光强分析
• 3.2 衰荡腔参数对透射光强特性影响分析
• 3.2.1 腔镜反射率对透射光强的影响
• 3.2.2 腔镜扫描速度对透射光强的影响
• 3.2.3 入射光开启和关断时间对透射光强的影响
• 3.3 模式耦合产生的噪声分析
• 3.3.1 腔内噪声的产生
• 3.3.2 系统结构设计
• 3.4 参数改变时噪声结果分析
• 3.4.1 腔长改变时的噪声
• 3.4.2 腔内压力改变时的噪声
• 3.4.3 腔内插入光阑时结果分析
• 3.5 散射耦合时噪声结果分析
• 3.6 双折射和偏振对衰荡腔的影响分析
• 3.6.1 基于琼斯矩阵的双折射和偏振模型
• 3.6.2 双折射和偏振参数对衰荡腔的影响分析
• 3.6.3 实验系统设计及结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于CW-CRDS 技术的气体浓度测量系统设计
• 4.1 激光失谐技术原理
• 4.2 基于激光失谐技术的高反射镜连续波腔衰荡系统设计
• 4.2.1 光学衰荡腔
• 4.2.2 光电探测器
• 4.3 光纤环形腔衰荡光谱技术
• 4.3.1 光纤环形腔衰荡光谱技术的浓度测量原理
• 4.3.2 光纤环形腔衰荡光谱技术的特点
• 4.4 基于连续波的光纤环形腔气体浓度测量系统设计
• 4.4.1 系统光源的选择
• 4.4.2 光隔离器的选择
• 4.4.3 掺铒光纤放大器增益稳定设计
• 4.5 光纤环形腔测量系统中ASE 噪声的滤除
• 4.5.1 ASE 噪声对系统测量精度的影响
• 4.5.2 自适应滤波
• 4.6 本章小结
• 第5章 气体浓度测量系统的实验与结果分析
• 5.1 激光失谐特性分析
• 5.1.1 激光失谐时透射光强与PZT 扫描速度的关系
• 5.1.2 激光失谐结果分析
• 5.2 基于激光失谐技术的气体浓度测量分析与研究
• 5.3 增益可调的EDFA 实验分析
• 5.4 环形腔气体浓度测量实验研究
• 5.4.1 CO 气体吸收峰的选择
• 5.4.2 自适应滤波在气体浓度测量系统中的应用
• 5.4.3 CO 气体浓度测量的实验分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介