陳亞歌 佘新宇 劉新 張剛 張婷 蔡廷棟

摘? 要：光學(xué)多通池被廣泛應(yīng)用于吸收光譜氣體的檢測，以增長光路和提高檢測靈敏度。本文使用連續(xù)可調(diào)諧二極管激光器作為光源，結(jié)合長程吸收以及波長調(diào)制技術(shù)，探測了在1.571μm附近，光程長為28.8m的Chernin型光學(xué)多通池中的一氧化碳和二氧化碳的吸收光譜，并利用Allan方差分析了系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，系統(tǒng)的探測靈敏度可達(dá)6.064ppm，此外，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了的大氣中一氧化碳與二氧化碳的濃度的同時(shí)探測，得到大氣中的二氧化碳濃度為244ppm。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;一氧化碳;波長調(diào)制;Chernin型光學(xué)多通池

中圖分類號：O648.18? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0008-03

0? 引? 言

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量礦質(zhì)以及石化燃料的不完全燃燒，大氣中一氧化碳（CO）以及二氧化碳（CO2）氣體含量明顯增高，溫室效應(yīng)逐年加劇，其中CO2是地球大氣中最重要的溫室影響氣體之一。近年來，CO2含量猛增，導(dǎo)致全球氣候變暖、冰川融化、海平面上升，另外CO作為不完全燃燒的產(chǎn)物，會嚴(yán)重危害人類的身體健康，對其排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來越嚴(yán)格。全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為世界各地人們關(guān)注的焦點(diǎn)，直接威脅人類的健康生存、動植物的生長，甚至影響著整個(gè)生態(tài)的平衡發(fā)展[1，2]。由此可見，實(shí)現(xiàn)CO2和CO的快速高靈敏度的測量成為國內(nèi)外重要的研究方向。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是將光譜調(diào)制技術(shù)和長程吸收技術(shù)相結(jié)合，具有探測靈敏度高、精度高、響應(yīng)速度快、監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)在線、非侵入性、不需要對氣體進(jìn)行預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。這種方法可以對污染氣體進(jìn)行定量或者定性分析，已經(jīng)被廣泛用于大氣污染物的濃度測量[4-8]。

本文介紹了以可調(diào)諧二極管激光器（中心波長1.571μm）作為光源，利用波長調(diào)制技術(shù)以及Chernin[9-12]型光學(xué)多通池（由五個(gè)凹面反射鏡組成，長為1.2m，曲率半徑均為1.5m，采用近共焦的形式進(jìn)行放置）使其反射次數(shù)足夠多，增加其有效的光程，在一次掃描中同時(shí)覆蓋CO和CO2分子的吸收線，對二者進(jìn)行同時(shí)測量的實(shí)驗(yàn)研究。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程中使用中心波長為1.571μm的DFB激光器作為光源，該類型激光器具有可調(diào)諧、單色性好、堅(jiān)固緊湊、體積微小、使用方便等特點(diǎn)。將正弦波和頻率為1Hz的三角波疊加后共同驅(qū)動激光器進(jìn)行波長掃描。正弦波由其中的一臺鎖相放大器產(chǎn)生，該信號作為參考信號同時(shí)被送入到另一臺鎖相放大器中。經(jīng)過Chernin型光學(xué)多通池23次（光程為28.8m）反射的氣體吸收后的透射光由焦距為50mm的會聚透鏡聚焦到光電探測器上，探測器接收后分成兩路，分別送入兩臺鎖相放大器中，一臺在與參考信號同頻率處對信號進(jìn)行解調(diào)，得到一次諧波信號，另一臺在二倍參考頻率處解調(diào)信號，得到二次諧波信號。輸出的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集、存儲，并用于進(jìn)一步的分析處理。

利用這一關(guān)系，可以有效地消除電流調(diào)諧的非線性效應(yīng)，但是對譜線的吸收線型不會產(chǎn)生影響，其中黑色的點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)中所測得的數(shù)據(jù)，紅線為擬合的曲線，藍(lán)色、黑色、綠色的線分別為CO2、CO以及水在HITRAN數(shù)據(jù)庫中模擬得到的吸收，中心波長為1.571μm的DFB激光器可以完全掃描覆蓋實(shí)驗(yàn)中所測得的CO和CO2。

調(diào)制光譜可以調(diào)節(jié)調(diào)制振幅和頻率等參數(shù)減小可能在直接吸收光譜（Direct absorption spectroscopy，DAS）中出現(xiàn)的光學(xué)噪聲，比DAS有一定優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)過程中，函數(shù)發(fā)生器（DG1000Z RIGOL）提供的三角波頻率為1Hz，通過調(diào)節(jié)鎖相放大器（Revision38200 Zurich Instruments）所提供的正弦波的頻率、相位、振幅來優(yōu)化二次諧波信號，抑制激光噪聲，最后選擇調(diào)制頻率為18kHz，相位為85.143。

本實(shí)驗(yàn)中，首先將Chernin型光學(xué)多通池抽至10-2Pa的極低壓力，用純度為99.999%的氮?dú)鈱ζ錆櫹础橹琳婵铡俅螡櫹?，多次重?fù)用以去除吸收池內(nèi)的雜質(zhì)氣體。然后再次抽成極低壓力，將CO和CO2以及高純度的氮?dú)夥謩e先后通入Chernin型光學(xué)多通池中，靜置一段時(shí)間等待其混合均勻，使用電腦配合軟件程序進(jìn)行多次采集一次諧波與二次諧波信號。在室溫下，記錄不同濃度的氣體的吸收光譜，每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完畢之后，再次進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，均需要重復(fù)上述清洗步驟才能進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在Chernin型光學(xué)多通池中測得常溫常壓下、不同濃度的CO以及CO2的二次諧波信號，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其不同濃度下的信號峰值有較好的線性關(guān)系，提取其峰值分別進(jìn)行線性擬合，得出圖4，可以得到CO濃度和二次諧波的線性方程為：

YCO=0.00139+0.003X

CO2的線性方程為：

YCO2=0.00241+0.0015X

然后用Chernin型光學(xué)多通池采集空氣中的CO以及CO2的二次諧波，經(jīng)過Origin軟件處理數(shù)據(jù)得到空氣中的CO以及CO2的二次諧波圖，從圖中可以看出CO2的二次諧波相當(dāng)明顯，通過計(jì)算可以得到大氣中CO2的濃度大約為：244ppm。由于空氣中的CO濃度相對來說太小，導(dǎo)致我們無法探測到CO，如圖3所示。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響系統(tǒng)的靈敏度。理想穩(wěn)定系統(tǒng)的信號理論上可以無限次平均，從而可以達(dá)到極高的靈敏度。但實(shí)際上系統(tǒng)僅僅是在一定的時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。為了評估測量系統(tǒng)的長時(shí)間穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中在控制壓強(qiáng)和溫度不變的情況下，進(jìn)行了連續(xù)五個(gè)小時(shí)的檢測，系統(tǒng)的整體性能可以用Allan方差來描述，實(shí)驗(yàn)所得到的Allan方差如圖5所示，得到該系統(tǒng)的探測靈敏度為6.064ppm。

4? 結(jié)? 論

實(shí)驗(yàn)中建立了一套基于Chernin型光學(xué)多通池的TDLAS系統(tǒng)，有效吸收光程可達(dá)28.8m。Chernin型光學(xué)多通池具有鏡面利用率高、加工成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)小體積長光程，在氣體探測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)使用1.571μm的DFB二極管激光器作為光源，采用波長調(diào)制結(jié)合長程吸收方法，對CO和CO2分子進(jìn)行了同時(shí)探測，系統(tǒng)的探測靈敏度為6.064ppm，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際大氣中CO和CO2的同時(shí)探測，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。

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作者簡介：陳亞歌（1997-），女，漢族，河南商丘人，本科，研究方向：激光光譜學(xué);通訊作者：蔡廷棟（1982-），男，漢族，山東臨沂人，教授，博士，研究方向：高靈敏度吸收光譜技術(shù)及應(yīng)用、精密激光光譜、高性能氣體光學(xué)傳感技術(shù)及應(yīng)用。