基于多孔散射介质的气体探头设计
摘要
近年来，可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的技术日益成熟，被用于气体的吸收光谱研究中。并且在气体吸收光谱的技术上研究了多孔散射介质内的光对气体的吸收。其原理是气体的吸收峰波长在从激光器发出的光的波长范围内，最后再检测透射光。因为自由气体的吸收峰相对于散射介质来说显得非常的窄，所以，虽然光在固体中或者液体中也有被吸收，但是气体的吸收部分还是可以被简单地分离出来。也有在外界的基础上设计出一种便携式的遥测仪，用以测量气体的浓度，如一氧化碳和二氧化碳的浓度测量。
本文中，首先讲解了测量散射介质气体吸收的系统组成，并简单地研究了多孔 陶瓷和气凝胶。然后了解了一些气室的发展概况，其中，高散射多孔材料是最先进的小型长程气室，它的光程增强效应很高，而且体积小、气体交换快。最后设计了基于一个多孔散射介质的气体探头，并初步地测量氧气的浓度。
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关键字:气体的监测散射介质气体探头
目录
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.1.1可调谐激光光谱技术及长光程气室 1
1.1.2散射介质中的气体吸收发展 2
1.2论文概要 3
2 散射技术与GASMAS系统 4
2.1光在介质中的传播与散射 4
2.1.1光散射的发展和分类 4
2.1.2散射光传输及其模拟 4
2.1.3吸收光谱、吸收光程 6
2.1.4 GASMAS系统中气体浓度的测量 7
2.2 GASMAS系统 9
2.2.1激光器 9
2.2.2探测器 11
2.2.3散射介质 11
3气体探头的设计与改进 13
3.1基于多孔散射介质的气体探头结构 13
3.2基于多孔散射介质气体探头的测量系统 15
3.3激光器输出波长的选取 16
3.4探测器的选取和数据采集系统搭建 18
3.5散射材料的制备 24
3.6干涉的消除 25
3.7气体浓度的测量 26
3.8本章小结 27
4总结与展望 28
参考文献 29
1 绪论
1.1课题背景
在全球经济不断发展的同时，工业进程中日益导致的环境污染问题成为人们关注的焦点，大气污染也成为了与全人类身体健康相关的生存性问题。在我国，在飞速发展经济的同时，牺牲了更多的环境为代价。我国提出了可持续发展的战略方针，保护环境便成了刻不容缓的问题。所以，现代文明的发展必须包括环境的监测，其中，气体的监测更是可持续发展的保障。现代科学中，最先进且应用非常广泛的气体检测技术就是吸收光谱技术[1]，并因其更可靠、检测速度更快，且无需接触，在科学界越来越受人们关注。尤为突出的是半导体技术和可调谐激光光谱技术，很多基于它们的光学传感器已被广泛应用。
二十世纪六十年代中期后，可调谐二极管激光器问世，因为它易调谐、结构紧凑、成本低的优点，它便很快的就被研究光谱技术领域的人士用作分析光谱的理想激光光源，随着技术的日益成熟，发展为现在的可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）。人们在TDLAS的灵敏度和响应速度方面做了很大的努力，为其在气体检测领域的应用做了坚实的基础[2]。它的应用场合主要特点是：高的分辨率、精度、灵敏度和选择性。在工业检测的应用有排放监测、工业自动化、安全监控等气体测控，其集中体现出在线监测、快速反应、少维护等优点。
2001年，瑞典隆德大学原子物理系的研究小组首先提出了散射介质中的气体吸收光谱技术（Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy, GASMAS）这一概念[3]，它是一个特殊的基于高散射和吸收的多孔介质中气体吸收光谱的研究，且有非常广的应用前景，本文的气体探头就是基于此理论设计的。
1.1.1可调谐激光光谱技术及长光程气室
20世纪60年代的中期，可调二极管激光器就已经问世，并以其可调谐性、紧凑的结构和廉价等优点被广泛认可为理想的光源，可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）因此问世，它大大地加快了检测速度，所以被广泛地应用于各种高灵敏度、高分辨率和高精度的气体检测。1975年，二极管激光器就在中红外区域测量过空中610m内CO的光谱吸收[4]。TDLAS以其灵敏性、精确性和非接触性，它的应用已远不只是在气体的研究方面，也更多的在其它领域发挥着重要作用。
当然，气体检测是TDLAS技术最先也是成熟的应用，多为有害气体的检测和有毒气体的监控，从而达到国家指定的排放标准和保护人类的生存环境。
TDLAS实验系统中的长光程气室的提出是为了测量低浓度的气体的光谱吸收，因为气体吸收的信号强度正比于气体的吸收总光程。长光程气室的传统原理是用反射镜来折叠光束从而增长光程，便可使得短距离在反射后得到大光程。常见的多次反射池有两种：Herriott反射池和White反射池[4]（见图1.1 ）。White气室可通过改变入射光角度从而改变反射次数来改变光程的大小，但是光束的尺寸相对于Herriott气室要大，也没有Herriott气室容易准直。还有一种长程气室的实现方式是谐振腔。
图1.1 Herriott和White反射池
与此同时，各种新型气室也不断地涌现出来。凭借其独特的空心结构和很好的传光特性，光子晶体光纤也被视为长光程气室。而且，很多商业领域的人在原有的设备的基础上改装出了各式各样的等效气室，如利用了商用积分球的D. Masiyano等人。
1.1.2散射介质中的气体吸收发展
散射的环境，如云彩、泡沫和粉尘等介质，都是无处不在的[5]。在有些多孔散射材料内，分布有自由气体形成光的强散射媒体，从而使得光所经过的光路是不确定的，所以通过Beer-Lambert定律不能直接计算出气体的浓度，需要使用其他方法来推导。散射介质气体吸收光谱技术（GASMAS）将解决此类问题。图1.2是散射介质中气体的光吸收原理图，激光（小波长光）入射到散射介质上后，会经过很长一段距离的散射和吸收后出射。但是出射光可在该介质对侧或同侧被检测装置检测。要想应用此方法，我们必修遵守的第一规则是散射体的吸收不能在气体吸收峰处太强，也就成了这个方法的缺点[6]。
图1.2
关于在这个方面的研究，瑞典隆德大学从2001年开始就一直在进行，并备受关注，Sune Svanberg教授将多年生物光学的研究和监测大气的激光雷达的强散射介质相结合考虑，首次提出GASMAS的概念。他们在GASMAS技术方面的成果远不止于此，还有很多如食品和细胞组织等其他领域的涉及[5]。
1.2论文概要
此次论文中，我在以下几个软件和硬件基础上优化了傅源的论文中提到的结构紧凑、低成本的基于多孔散射介质的气体探头的设计，并初步地测量了氧气浓度：
1.运用了TDLAS技术对多孔散射介质内气体吸收作为研究基础；
2.在高速采集卡的基础上，建立了一个散射介质内的气体检测系统，其结构简小、灵活，但是功能强大。
3.运用强大的LabVIEW和Matlab程序来控制激光工作和数据采集对数据进行处理和分析。
4.在GASMAS系统的基础上，测量多孔材料内的气体的吸收光谱。对不同的多孔氧化铝陶瓷和各种气凝胶，用763nm可调半导体激光研究氧气的气体吸收光程增强效应。
5.使用了多孔高散射材料显著气体吸收光程增强现象，还结合了光纤的传输原理和优点。
2 散射技术与GASMAS系统
2.1光在介质中的传播与散射
2.1.1光散射的发展和分类
散射是光常见的自然现象之一，如蔚蓝的天空、暴风雨之后的彩虹等等。早在16世纪初等等文艺复兴时，达芬奇就猜想是由于光对于尘埃的散射而导致天空层蓝色。英国诺贝尔物理学科学家瑞利（Rayleigh）在1899年研究发现，空气中的微粒对太阳光的散射[7]，并得出有名的瑞利散射公式。
又从英国米（Mie）的米散射的解释到爱尔兰安裘斯的临界乳光，从英国汤姆逊的汤姆逊散射到爱因斯坦的光散射起伏、入射光子和散射光子三者间的栋梁守恒关系，从法国布里渊的布里渊散射到美国康普顿的康普顿散射和拉曼的拉曼散射[8]。但是，20世纪60年代麦曼红宝石激光器的制成是光散射研究的另一个里程碑，由此出现了非线性光散射效应。此后，拉曼光谱技术的应用一直被分析和拓宽。
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