连续波光腔衰荡光谱装置及痕量甲烷检测研究

doi:3AE8C730412D1AB6AAB76456DAC59714

	连续波光腔衰荡光谱装置及痕量甲烷检测研究
	宋绍漫
学位类型	博士
导师	颜昌翔
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	光学测量腔衰荡光谱测量光学无源衰荡腔光轴结构痕量气体浓度光学外差法
摘要	光腔衰荡光谱(CRDS,Cavity Ring-Down Spectrometer)技术利用分子(原子)的“指纹”式吸收特性,根据衰荡腔出射光的衰减时间常数值获得腔内吸收介质的信息。本文以三角环形腔连续波(CW,Continuous Wave)CRDS技术为重点,研究了腔内光轴结构特性、腔的光场动态响应特性、腔透射光特性及系统检测误差来源等问题,搭建了痕量甲烷检测装置,并进行了大量实验。本文的主要内容和得到的结论可以概括如下:一、针对三角环形无源腔性质展开了一系列研究:为提高光能利用率,分析并验证了失调和失配引起的能量损失随光轴结构的变化,据此给出了装调误差存在时光能传递效率的表达式以及系统最大允差;为减小光场动态响应引起的误差,围绕三角环形衰荡腔展开分析,对入射激光频率变化和腔长度改变时腔光场的动态响应进行了模拟。对比了腔长和激光频率调制之间的差异,推导了腔内的循环光场、反射场和透射场和PDH(Pound-Drever-Hall)信号的动态响应特性。研究表明腔内光场的振幅和相位的振荡会引起所探测信号的振荡,为利用腔透射光信号优化扫描速度以减小误差提供了依据。最后,给出了诱导腔内光场振荡以确定腔镜移动速度或入射光频率变化速度的实验方案。二、建立了CW-CRDS技术方案,包括光学系统、电子学系统以及软硬件部分。确定了由两平面镜一球面镜构成的高品质无源腔的结构参数,消除了反射光对激光器的影响,减小了背景噪声。利用波长计完成激光器频率的测量和锁定,降低了调谐难度。完成了系统中主要器件的测试:激光器的关断时间在70ns以内;压电陶瓷对腔长的调节精度为0.3nm,调整频率为1kHz;波长计在1653nm波长处的检测精度可达±0.2pm;激光器输出激光的线宽为2.6MHz。三、针对腔透射光信号微弱,难以精确检测的问题,将光学外差检测技术引入到无源谐振腔透射光的探测。将P偏振光作为本振光,S偏振光用于建立衰荡事件,腔透射光经偏心轮调制产生多普勒频移后作为信号光,最后使两光束结合形成偏振方向一致的相干光场进行检测。该方法可提高转换增益、减小信噪比损失,最小可探测功率可达1.1×10~(-5)pW。四、搭建了实验,测量了空腔(充高纯氮气)衰减,标定了腔镜反射率,对腔镜反射率的检测精度可达10~(-7)量级。随后,检测了与氮气混合的痕量甲烷(CH_4)样品,对CH_4浓度(体积分数)的最小检测精度达54×10~(-9),当混合气中甲烷的体积分数为510×10~(-9)时,对甲烷在6046.7~6047.2cm~(-1)范围内的吸收谱线进行了测量,对腔内气体吸收系数的的最高检测灵敏度达8.8×10~(-11)cm~(-1)。五、对CW-CRDS技术中的误差源进行了分析和实验研究。包括激光器特性(包括带宽以及稳定性)、入射光关断时间、腔长调节精度、腔镜反射率、腔长扫描速度、探测器噪声、衰荡腔内的温度及压强以及腔内存在的其他气体的干扰等,并针对误差项对系统设计方案进行调整,以提高CW-CRDS系统对痕量甲烷的检测精度。
页数	182
DOI	3AE8C730412D1AB6AAB76456DAC59714
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63862
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	宋绍漫. 连续波光腔衰荡光谱装置及痕量甲烷检测研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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连续波光腔衰荡光谱装置及痕量甲烷检测研究（6399KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文