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柱面镜光学多通池的设计及在痕量气体探测中的应用

陈家金  
【摘要】:可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)具有高灵敏度、高分辨率和快速响应等优点,在痕量气体探测方面有着广泛的应用。TDLAS作为气体检测的先进手段,与长程光学多通池相结合将会进一步提高探测灵敏度。本论文针对现代气体测量仪器小型化和高精度的需求,设计了一种圆型柱面镜光学多通池,并与近红外二极管激光吸收光谱技术相结合,分别对甲烷和二氧化碳气体进行了痕量探测。论文主要工作包括:介绍了大气中痕量气体检测的意义,并对激光吸收光谱原理、不同的吸收线型和气体吸收线选择等基本知识进行了介绍。描述了传统多通池及其改进形式的原理和结构,在此基础上,详细说明了柱面镜光学多通池的原理和设计,所用柱面镜直径为50mm,焦距250mm,镜面镀有保护金膜,其中一块镜片中心位置处有直径为4mm的通光孔,通过调节前后两柱面镜的间距和相对旋转角度,在镜面上实现了不同的光斑分布,得到了不同的光程。该多通池具有结构紧凑,加工成本低,腔镜的有效利用面积高,与传统多通池相比,能够在相同的基长下得到更长的吸收光程,进而提高系统的检测极限。建立了一套基于柱面镜光学多通池的TDLAS系统,使用中心波长分别为1.65μm和1.57μm的DFB半导体激光器作为光源,采用直接吸收光谱方法对甲烷和二氧化碳气体进行了痕量探测,在气体吸收光程为13.8 m的情况下,CH4最小可探测浓度达到了0.68 ppm(1σ,3.3 s平均时间),CO2最小可探测浓度达到了63.3 ppm(1σ,5 s平均时间),并对实际大气中的甲烷和二氧化碳气体进行了探测。


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