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基于中红外量子级联激光器(QCL)以及频分复用波长调制光谱技术,实现了NO2及NH3的高精度同时测量。对中心频率在1600.0 cm-1及1103.4 cm-1附近的两支QCL施加不同频率的正弦调制,利用数字锁相技术得到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号。搭建了一套基于该技术的开放式空气中NO2及NH3的测量系统,多次反射池的光程为60 m。利用25 cm长的参考池进行浓度标定,发现系统在较大的浓度范围内具有优良的线性响应。两种气体的检测限均小于10-9量级。使用系统进行了24 h的气体监测,测量结果与参考仪器的结果吻合较好。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于频分复用波长调制光谱的
NO
2
及
NH
3
浓度测量
陈 祥
,
,
阚 瑞 峰
,
杨 晨 光
,
胡 迈
,
姚 路
,
范 雪 丽
,
何 亚 柏
,
裴 晓 凡
,
刘 建 国
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室
安徽 合肥
中国科学技术大学
安徽 合肥
摘要
基于中红外量子级联激光器
以及频 分复 用波 长 调制 光谱 技 术
实 现了
及
的 高精 度同 时 测
量
对中心频率在
及
附近的两支
施加 不同 频率 的正 弦调 制
利 用数 字锁 相 技术 得
到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号
搭建了一套基于该技术的 开放 式空气 中
及
的测 量系
统
多次反射池的光程为
利用
长的参考池进行浓度标定
发现 系统 在较大 的浓 度范围 内具 有优良 的
线性响应
两种气体的检测限均小于
量级
使用系统 进行 了
的 气体 监测
测 量结 果与 参 考仪 器的 结 果
吻合较好
关键词
测量
环境光学
中红外吸收光谱
频分复用波长调制
量子级联激光器
中图分类号
文献标识码
doi
ConcentrationMeasurementsofNO
2
andNH
3
Basedon Wavelen
g
thGModulation
Fre
q
uenc
y
GDivisionGMulti
p
lexin
g
S
p
ectrosco
p
icTechni
q
ue
Ke
y
Labo
f
EnvironmentalO
p
ticsandTechnolo
gy
AnhuiInstituteo
f
O
p
ticsandFineMechanics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
He
f
ei
Anhui
China
Universit
y
o
f
ScienceandTechnolo
gy
o
f
China
He
f
ei
Anhui
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家重点研发计划
作者简介
陈祥
男
博士研究生
主要从事基于中红外量子级联激光器气体监测方面的研究
导师简介
阚瑞峰
男
博士
研究员
主要从事光学与光谱学监测方面的研究
通信联系人
引
言
作为二次细颗 粒物的主 要 前 体 物
参 与 的
相关化学反应会破 坏地球臭 氧 层
导致地球 表 面受
到更严重的紫外辐射
且空气中较 高浓度的
是酸雨 以 及 光 化 学 烟 雾 形 成 的 前 提 条 件 之 一
光
学
学
报
是氮含量最丰富 的分子之 一
对大气化 学 及环
境有着重大影响
它是空气 中 主要的碱 性 气 体
可以有效中和各类酸性气体
然而
空气中
及
的浓度较低
通常为
量级
且
具有
较强的吸附性
这为 上 述两种气 体 的快速高 精 度测
量带来一定困难
直接吸收光谱技术
具有高灵敏度
高选择性
和快速测量等特 点
而波长调 制 光谱技术
通过增大检测频率 来减小低 频 噪声
可以进一 步 提
高检测灵敏度
近 年 来
基 于
的
及
测量 被 广 泛 应 用 于 环 境 监 测 和 医 疗 诊 断 中
等
搭建了基于量子级联激 光器
的
测量系统
该 系 统 安 装 在 海 拔
的 山 峰
上
用来评估对流层
的背景浓度 变化
系统数
据采集平均时间达
时检测限
体积分数
全文
同
为
但线性响应浓度上限
体积分数
全
文同
为
为了测量 呼 出气中的
浓
度
等
设 计 了 基 于 免 标 定
技 术 的
传感器
传感器采用长度为
的低压抽
取式吸收池
检 测 限 为
但 抽 取 式 测 量 池
在采 样 时 容 易 造 成
的 吸 附
引 起 测 量 结 果 偏
差
普林 斯 顿大学的
等
设计了基 于 开 放
式测量池的
测量装置
避免了由吸收池壁
吸附带来的测量误差
该装置在
的响应时间下
可得到
的检测限
当需要测量多种气体
分子时
可以控制两 支 激光器工 作 在不同的 调 制频
率上
即频分复用模式
并对测量信号在各自频率上
进行 谐 波 解 调
最 终 得 到 各 自 的 浓 度 信 息
等
于
年对近红外频分复用
的可行性
作了详细的阐 述与论证
年
等
利用低
压抽取式测量池以及频分复用
实现了空气中
及
的同时测量
两种气体 的 最低检测 限 均
小于
目前
国内基于开放式多次反射池及
中红外频分复用
的气体测量研究鲜有报道
本文采用高热负载
封装的在
及
附近波段工作的
以及开放式多
次反射池
搭建了空气 中
及
的测量 系统
利用频分复 用
控 制 两 支 激 光 器 工 作 于 不 同
的调制频率
并用不 同 频率的数 字 锁相放大 器 对光
谱信号进行解调以实现两种气体的同时测量
频分
复用技术实现了单个扫描周期内两种气体浓度的反
演
可以有效提高多组份气体测量系统的时间响应
开放式测量池的设 计避免了 气 体采样环 节
进一步
提高了系统的响应 速度
消除了由 气 体吸附造 成 的
测量误差
为了验 证系统的 可 靠性
对该系统 进 行
了
的测量实验
测量结果与参考仪器的结果具
有良好的一致性
实验方法
21
实验原理
当激光器的注入电流受到频率为
ω
的正弦波调
制时
激光器的出光频率
ν
t
和出光光强
I
t
可以
表示为
ν
t
=
ν
+
a
ωt
I
t
=
I
+
i
ωt
+
ψ
+
i
ωt
+
ψ
式中
ν
为出光中心频率
I
为平均 出 光强度
t
为时
间
a
为调 制 幅 度
其 典 型 值 与 吸 收 线 宽 在 同 一 量
级
i
和
i
为 强 度 调 制 线 性 项 和 非 线 性 项 的 幅 值
ω
为角调制频率
ψ
和
ψ
为强度调 制 线 性 项 和 非 线
性项的相位
在大多数情况下
i
远小于
i
非线性
项的影响可以忽略
当激光器出射光强穿过吸收气
体时
透过率
τ
ν
ν
由
定律得到
即
τ
ν
ν
=
-
PXL
S
T
φ
ν
ν
式中
S
T
为 温 度
T
下 的 吸 收 线 强
以 下 简 称 线
强
P
为气压
X
为气体浓度
L
为光程
φ
ν
ν
为
线型函数
对于谐波探测
在弱吸收条件下
对透过
率表达式作傅里叶变换
结合
定律可
得到
k
次谐波分量表达式为
H
ν
-
ν
a
=
S
T
PXL
-
φ
ν
ν
θ
H
k
ν
-
ν
a
=
S
T
PXL
-
φ
ν
ν
kθ
θ
式中
H
为零阶谐 波 强度幅值
ν
为谱线中 心 波 长
θ
为相位角
H
k
为
k
阶谐波
在实 验中
通过数字锁 相放大器获 得一次和二
次谐波信号
用一次 谐 波信号对 二 次谐波信 号 作归
一化处理
可 以 消 除 光 强 抖 动 对 测 量 结 果 的 影 响
归一化后的二次谐波信号光强
I′
可以表示为
I′
S
T
PXL
在气体线强
气压和光程确定的条件下
气体浓度与
归一化的二次谐波 峰峰值成 正 比
通过标定 的 方法
可以得到准确的 气 体浓度
在长期测 量 中
通过实
时监测环境温度及 空 气气压来 修 正线强及 浓 度值
当测得的吸 收 光 谱 信 号 包 含 不 同 频 率 的 谐 波 信 号
时
可以利用不同频 率 的数字锁 相 放大器获 得 各自
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