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光声光谱和腔内增强吸收光谱技术的研究与应用

李少成  
【摘要】: 生物组织微量气体交换研究、大气污染监测和医疗诊断等领域都涉及到微量气体的定量分析。激光光谱分析技术将为微量气体检测提供新的高性能的技术手段。本文对微量气体光声光谱与腔内增强吸收光谱检测技术的理论与应用做了较深入的研究。研究内容包括以下几个方面: 1.详细讨论了光声光谱的理论,设计了低噪声、高灵敏度的纵向共振光声池,制作了信号测量与数据处理软件。在此基础上研制成功了“高灵敏度腔内吸收微量气体光声光谱仪”。该光谱仪对乙烯的检测极限达到了10~(-11)量级。在基于常规的二氧化碳光声系统的基础上,研制成功了结构紧凑的基于波导二氧化碳激光器的光声光谱仪。 2.微量气体光声光谱仪应用于生物学研究,分别测量了苹果,油桃以及樱桃西红柿等在不同成熟期或遭受胁迫状态下的乙烯产量,在揭示新的生物学规律方面做了有益的尝试。 3.通过对含有CO_2的多成分气体光声信号激发机理的分析,应用Levenberg-Marquardt拟合算法直接求解非线性方程组,有效的解决了因光声信号位相改变使线性计算方法失效的问题。通过对富士苹果、机动车尾气中臭氧与乙烯含量的测量实验,验证了该算法有效性。 4.深入研究了腔内增强吸收光谱的理论,首次给出了具体的解析表达形式及数值模拟计算结果,分析了腔内增强吸收光谱测量的灵敏度、线性度与激光频率扫描速度、吸收腔长改变速度的关系。从理论上证明了腔内吸收光谱信号与吸收腔的衰荡时间的线性关系。 5.用色芯激光器首次实现了扫描吸收腔长的腔内增强吸收光谱技术,测量了N_2O的吸收谱。并首次将三角形腔应用于腔内增强吸收光谱检测。 6.优化设计了基于周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的光参量振荡器的谐振腔结构,并用此激光器测量了乙烷的腔内增强吸收光谱。


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