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1、第卷第期量子电子学报一年月文章编号一一一可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用,,,,张,董凤忠祠瑞峰刘文清刘建国玉钧高,王铁栋,王敏,,魏庆农山虎陈东中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥摘要可调谐二极管激光吸收光谱技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的,。待测气体特征吸收线的吸收光谱从而对污染气体进行定性或者定量分析在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度,一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率,,。,或者位相调制等同时和
2、长光程吸收池相结合使用并辅之以各种噪声压缩技术不仅精度较高选,。择性强而且响应速度快已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低量级、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖户,或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖、户,则可同时实现对大气中诸多重要瘾量气体如、、、、、、、等的同步监测。关键词光谱学可调谐二极管激光怀特池甲烷大气质
3、量监测中图分类号注文献标识码引言人类活动产生的大量化学物质对大气环境造成了严重的不利影响和危害,如南极平流层臭氧洞的形成、城市光化学烟雾、沙尘暴、酸雨、气候变暖等诸多环境问题,为此非常有必要开展对大气环境中痕量气体成分的测量,以了解其中的光化学动态变化以及对环境的影响。与、和含氯氟烃等是一,,造成大气温室效应的主要气体,大气中甲烷的平均浓度在、‘左右并且每年以速度增长远远低于二氧化碳的含量但是温室效应有是由于甲烷引起的,对温室效应的作用是。一,“一同浓度的的咒倍目前甲烷浓度的常规检测主要是气相色谱法由于
4、这种方法至少需要几分钟才能提供一个数据,所以不能进行连续监测,另外这种方法还需要提供高纯度的气体,这也成为长期监测的一个限制因素。目前我国还没有对温室气体如、在全国各大城市及主要地区的常规监测数据,在国际合作谈判中往往处于被动地位。,可调谐二极管激光吸收光谱大气污染光学遥测技术具有高灵敏度甚至可以达到、、、、,“一“一‘玩高选择性实时动态快速毫秒量级多组分同时测量的优点可为研究灾害性环境污染形成的机理和条件、灾害性污染对生态环境的危害和对全球环境变化的影响提供独特的技术手段和。,一,‘新的测量平台为我国
5、环境物理和环境化学的研究提供基础实验数据另外开展这方面的研究可发展一批可适应于高、中、低层次需求的遥测技术,开发满足不同档次需求的环境监测仪器,把具有自主知识产权的先进环境监测技术推向企业,促进我国民族环保产业的发展。本文介绍了我们采用技术,以测量大气中甲烷浓度为样本设计的一种小型的温室气体自动监测仪器,对的监测灵敏度可达到“”基金项目中国科学院百人计划项目和国家高技术项目资助收稿期一一修搜一一改日期一加量子电子学报卷,系统可以移动使用,也可以固定安装使用。由于这种技术可以连续监测甲烷的碳同位素含量,从
6、而可以揭示大气中甲烷的排放源头。此外,为了将该仪器能用到我们下一步希望开展的机载平台采样的温室气体主要包括、、、和等和痕量污染成份如、芳香烃等的浓度及其在对流层的分布状况研究,考虑到绝大多数痕量气体在对流层的浓度是很低的,因而需要较高的探测灵敏度,为此我们将气体吸收池设计成多次反射的怀特池结构,激光在气室中经过多次反射而达到较长的光程,同时为了满足不同痕量气体浓度的测量需要如容易更换样品气体、样品池冲洗、改变光程等,多次反射池的腔长设计为,总光程从到可调。调谐二极管激光吸收光谱实验原理测量痕量气体浓度是
7、基于对气体分子吸收线的探测,而吸收线的频率及线形是气体分子的固有特性。根据一定律,激光器发出强度为的激光,经过多次反射池后的光强为‘“一’”〕几人,‘卜入」,这里为多次反射池反射面的反射率,为反射次数,入表示待测分子在波长入处的吸收截面,己为分子数浓度,为经过多次反射池的多次反射后的总的光程。由于实验是在大气压下进行的,吸收线形可以用线形来描述‘”一,并展开为傅里叶级数,在经过简单的运算简省后,得到二次谐波系数‘式二,几二。其中为吸收线中心的吸收系数,包括了反射率造成的对光强的影响,那么消除光强的影响就
8、能得到与浓度和吸收光程成正比的二次谐波信号。直接吸收光谱可调谐二极管激光吸收光谱技术是利用激光器波长调谐通过被测气体的特征吸收区,直接吸收光谱就是以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原形吸收线。由测量获得的线形、线宽和强度可以计算出分子的吸收截面,进而计算出被测气体的浓度,因此是一种不需定标的直接测量技术。由于二极管激光光源是谱线非常狭窄的可调谐强光源,因此在原则上不需要传统光谱测量中所用的分光仪等复杂的光机设计。事实上,直接吸收光谱技术
