空芯光波导内氨气吸附效应对光谱测量的影响研究

论文摘要

近年来空芯光波导（Hollow Waveguide,HWG）作为一种新型的气体池,具有光程体积比大、光路布置灵活稳定、成本较低等优势,广泛应用于光谱测量领域。但是,空芯光波导内壁表面对气体尤其是对于一些极性气体分子,例如氨气,的吸附效应对光谱测量有着不可忽略的影响。本文基于可调谐激光吸收光谱技术对内壁镀银/碘化银的空心光波导（Ag/Agl-HWG）内的氨气吸附过程进行定量分析,研究不同因素下吸附效应对光谱测量的影响,具体研究内容和创新性工作如下:第一,发展了基于单一吸收谱线的多参数拟合算法。利用直和模型将Voigt线形中复杂的卷积计算转化为高斯线型和洛伦兹线型的加权求和的形式,实现了通过单一吸收谱线同时反演气体的浓度、温度和压力等多个参数,大大提高了 Voigt线形的解析效率,并分析论证了该方法的算法流程、谱线筛选原则以及抗噪声能力,为HWG中氨气的吸附测量奠定基础。第二,设计和验证了高时间分辨率、高精度的氨气测量系统。结合氨气浓度检测的需求以及光谱测量精度的需求,基于量子级联激光器（Quantum Cascade Laser,QCL）和空芯光波导搭建含有参比池的激光光谱浓度测量系统。并对测量系统的测量精度进行了分析和优化,结合直接吸收光谱的浓度测量原理,在实验室的条件下对测量系统的可靠性和准确性进行了验证,结果表明系统时间分辨率为lms时的检测灵敏度<lppm,满足对吸附的分析需求。第三,定量研究了空芯光波导内氨气的吸附和解吸附过程。利用搭建的吸收光谱测量系统,实时监测不同环境下吸附与解吸附过程中氨气的浓度变化,进而获得吸附分子的数量及其随温度、浓度的变化规律。结果表明,标况下氨气分子在Ag/Agl-HWG内壁表面吸附的密度为1015molecules/cm2量级,对应的吸附效果评价值F约为5.89。吸附量随压强的增大而增大,随温度的升高而减小,符合勒夏特列原理。相比于一级动力学模型,吸附的动态过程更符合二级动力学模型。此外,通过对参比池与空芯光波导内的氨气吸收谱线进行对比,确定了吸附过程中出现吸收谱线红移的现象,偏移量为10-2～10-3cm-1。综上所述,本文以氨气为目标气体,基于中红外激光吸收光谱首次对HWG的吸附进行的定量研究,得到了吸附量和吸附引起的波长偏移量,对基于HWG的光谱精确测量及氨气在HWG表面的吸附机理研究有重要意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨森

导师: 李金义

关键词: 空芯光波导,氨气,吸附效应,中红外量子级联激光器,光谱检测

来源: 天津工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 天津工业大学

基金: 国家自然科学基金—空芯光波导的吸附效应对光谱法气体浓度测量的影响(项目编号:61505142),国家重大科学仪器设备开发专项—研制先进的超高灵敏激光恶臭传感器(项目编号:2012YQ06016501),天津市自然科学基金(项目编号:16JCQNJC02100)

分类号: TN252;TN24

总页数: 63

文件大小: 4161K

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