光谱吸收技术

《光谱吸收技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光谱吸收技术（66页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第四章 激光吸收光谱技术主讲教师：许立新第一节 基本吸收光谱技术1414(w/no options)一、一、Lambert-Beer定律定律当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会因分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为dl的分子层时其强度的衰减量dI与传输到这里的光强I成正比： IdldI 表示单位长度单位强度的吸收，即吸收系数。当表示单位长度单位强度的吸收，即吸收系数。当为与光强无关时的常数时，上式即为线性吸收的为与光强无关时的常数时，上式即为线性吸收的Lambert-BeerLambert-Beer定律，积分形式定律，积分形式第一节 基本吸收光谱技术 IdldI 一、一、Lamb

2、ert-Beer定律定律 LIIexp0光强度的吸收与样品长度有关光强度的吸收与样品长度有关 对于一般气体样品，吸收系数对于一般气体样品，吸收系数 比较小，在吸收比较小，在吸收程程x不是太大时有不是太大时有吸收系数吸收系数 的测量的测量 可由吸收光程可由吸收光程x和透过样品的光强和透过样品的光强 来计算来计算第一节 基本吸收光谱技术 TI xIITexp0 1 x xIxIIT1exp00 xIIIT00吸收系数吸收系数 的测量的测量 从理论上可通过爱恩斯坦的光和物质相互作用求得从理论上可通过爱恩斯坦的光和物质相互作用求得第一节 基本吸收光谱技术 )/()/(exp)/(/,112112011

3、2112chNBLchNBIIdlchNIBdIcIdlhNBdI 围绕中心频率存在线型分布 00g则有则有第一节 基本吸收光谱技术 011200)/(gchNBg分子的吸收截面 1/ N 012/gchB LNII10exp CLII exp/0C为分子数密度二、激光吸收光谱特点二、激光吸收光谱特点激光特性：激光特性：单色性、高亮度、高方向性、宽调谐、可调制单色性、高亮度、高方向性、宽调谐、可调制1、高光谱分辨率、高光谱分辨率传统吸收光谱技术分辨率限制：传统吸收光谱技术分辨率限制：谱线展宽效应、仪器分辨率（分光元件、狭缝宽度）谱线展宽效应、仪器分辨率（分光元件、狭缝宽度）激光吸收光谱技术：激

4、光吸收光谱技术：波长扫描、光源线宽（波长扫描、光源线宽（10-510-8 cm-1第一节 基本吸收光谱技术第一节 基本吸收光谱技术SF6分子的3带高分辨红外吸收光谱，分辨率3X10-5 cm-1性能优良的光栅红外光谱仪（分辨率0.07 cm-1）测量同一光谱第一节 基本吸收光谱技术2、高检测灵敏度、高检测灵敏度光谱检测灵敏度表示对微弱光谱信号的检测能力光谱检测灵敏度表示对微弱光谱信号的检测能力 增加吸收光程可提高检测灵敏度增加吸收光程可提高检测灵敏度传统光源发散角大、激光方向性好传统光源发散角大、激光方向性好(2) (2) 激光器光源的光谱功率密度很高，可忽略检测器本身激光器光源的光谱功率密度

5、很高，可忽略检测器本身的噪声，还可采用的噪声，还可采用平衡检测方法平衡检测方法第一节 基本吸收光谱技术 IIIIIII1121)1 (I2I1I3第一节 基本吸收光谱技术 IIIIIIIIs211/12平衡器的输出信号平衡器的输出信号 sI当=1/2时， IIs可由可由Is表示吸收光谱表示吸收光谱第一节 基本吸收光谱技术 2/2/2/2/0000dIdIII(3)检测灵敏度随光谱分辨率检测灵敏度随光谱分辨率 的增加而提高，的增加而提高，只要保持光谱宽度大于吸收线的线宽只要保持光谱宽度大于吸收线的线宽/假设在间隔内I()基本保持不变，则有 IdI2/2/00第一节 基本吸收光谱技术 IdIdI2

6、/2/2/2/0000由此可得 2/2/001dII用很窄的激光谱线可得很小的光谱宽度用很窄的激光谱线可得很小的光谱宽度，大大增加了，大大增加了检测灵敏度检测灵敏度第一节 基本吸收光谱技术3、能实现高精度的光谱定标、能实现高精度的光谱定标将进入样品池前的光束分出一部分弱光，耦合进一个长间距的FP干涉仪，调谐激光频率时，干涉仪透出一系列的极大值，即对光谱波长定标第二节 高灵敏度吸收光谱技术一、频率调制光谱技术一、频率调制光谱技术通过检测透过吸收池的透射光强来获得吸收谱，缺点是：通过检测透过吸收池的透射光强来获得吸收谱，缺点是：易受背景噪声干扰易受背景噪声干扰背景噪声：背景噪声：a、吸收池窗的吸收

7、；、吸收池窗的吸收；b、激光强度的起伏；、激光强度的起伏；c、吸收池内被测分子的密度起伏、吸收池内被测分子的密度起伏背景噪声的频谱一般在低频段，采用对激光频率进行高背景噪声的频谱一般在低频段，采用对激光频率进行高频调制的方法可以在一定程度上抑制低频背景噪声。频调制的方法可以在一定程度上抑制低频背景噪声。以频率调制为基础的可调谐半导体激光吸收光谱学以频率调制为基础的可调谐半导体激光吸收光谱学（TDLAS）迅速发展，与长程吸收池相结合，成为一）迅速发展，与长程吸收池相结合，成为一种重要的痕量气体检测方法。种重要的痕量气体检测方法。多点气体传感器多点气体传感器空间复用气体探测系统空间复用气体探测系统

8、The optical fiber gas detection system is based on IR absorption using open-type fiber coupled micro-optic cells.DFBLaserMonitoringStationOpticalDetectorOpticalCouplerControl Circuit and SignalProcessRef er ence Cel lGas sensorsGRIN rod lensI0IGas cell LC采用谐波探测技术提高探测性能采用谐波探测技术提高探测性能 Gasabsorptionlin

9、eLaserspectrumWavelength modulation2nd harmonicsignalSlow Scan1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-6-4-2024x 10-3(a) First Harm onic S ignalarb. unit1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-2-101234x 10-3(a) S econd Harm onic S ignalW avelength (nm )arb. unitM

10、easurement setup for the detection of the acetylene concentration in the gas chamber Gas chamberGas detection systemGas sensors光子晶体光纤应用光子晶体光纤应用Gas Detection Using PCFo 在在 1.53 1.53 和和 1.65 1.65 mm波长波长, ,相对灵敏相对灵敏度比开道气室提高度比开道气室提高 3.8% 3.8% 和和 4.7%. 4.7%. o 相对灵敏度随气孔直径与气孔间相对灵敏度随气孔直径与气孔间距比变化距比变化0.91.01.1

11、1.21.31.41.51.61.71.81.912345678910Modified PCFLucents PCF0.690.750.840.870.90.93d/=relative sensitivity r (%)wavelength (m)Relative sensitivity of Lucents PCF with as a function of wavelengthSimulation result with FEMLABHighly Nonlinear PCF (Blazephotonics) 10 m1 moVery small (800 nm) core diameter