光谱吸收技术

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/nooptions)30pW/一、Lambert-Beer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。当为与光强无关时的常数时，上式即为线性吸收的Lambert-Beer定律，积分形式第一节基本吸收光谱技术IdldI一、Lambert-Beer定律LIIexp0光强度的吸收与样品长度有关对于一般气体样品，吸收系数比较小，在吸收程x不是太大时有吸收系数的测量可由吸收光程x和透过样品的光强来计算第一节基本吸收光谱技术TIxIITexp01xxIxIIT1exp00xIIIT00吸收系数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第一节基本吸收光谱技术)/()/(exp)/(/,1121120112112chNBLchNBIIdlchNIBdIcIdlhNBdI围绕中心频率存在线型分布00g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、激光吸收光谱特点激光特性：单色性、高亮度、高方向性、宽调谐、可调制1、高光谱分辨率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）激光吸收光谱技术：波长扫描、光源线宽（10-5~10-8cm-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3X10-5cm-1性能优良的光栅红外光谱仪（分辨率~0.07cm-1）测量同一光谱第一节基本吸收光谱技术2、高检测灵敏度光谱检测灵敏度表示对微弱光谱信号的检测能力(1)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(2)激光器光源的光谱功率密度很高，可忽略检测器本身的噪声，还可采用平衡检测方法第一节基本吸收光谱技术IIIIIII1121)1(I2I1I3第一节基本吸收光谱技术IIIIIIIIs211/12平衡器的输出信号sI当=1/2时，IIs可由Is表示吸收光谱第一节基本吸收光谱技术2/2/2/2/0000dIdIII(3)检测灵敏度随光谱分辨率的增加而提高，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IdIdI2/2/2/2/0000由此可得2/2/001dII用很窄的激光谱线可得很小的光谱宽度，大大增加了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F－P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：易受背景噪声干扰背景噪声：a、吸收池窗的吸收；b、激光强度的起伏；c、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（TDLAS）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。多点气体传感器空间复用气体探测系统TheopticalfibergasdetectionsystemisbasedonIRabsorptionusingopen-typefibercoupledmicro-opticcells.DFBLaserMonitoringStationOpticalDetectorOpticalCouplerControlCircuitandSignalProcessReferenceCellGassensorsGRINrodlensI0IGascellLC采用谐波探测技术提高探测性能GasabsorptionlineLaserspectrumWavelengthmodulation2ndharmonicsignalSlowScan1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-6-4-2024x10-3(a)FirstHarmonicSignalarb.unit1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-2-101234x10-3(a)SecondHarmonicSignalWavelength(nm)arb.unitMeasurementsetupforthedetectionoftheacetyleneconcentrationinthegaschamberGaschamberGasdetectionsystemGassensors光子晶体光纤应用Si及空气微孔组成光子晶体光纤包层包围在芯层周围的空气孔非常敏感地影响光子晶体光纤的传输特性GasDetectionUsingPCF在1.53和1.65m波长,相对灵敏度比开道气室提高3.8%和4.7%.相对灵敏度随气孔直径与气孔间距比变化0.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.912345678910ModifiedPCFLucent'sPCF0.690.750.840.870.90.93d/=relativesensitivityr(%)wavelength(m)RelativesensitivityofLucent’sPCFwithasafunctionofwavelengthSimulationresultwithFEMLABHighlyNonlinearPCF(Blazephotonics)10m1mVerysmall(800nm)corediameterveryhigheffectivenonlinearityanomalousdispersioninvisible&nearinfra-red(zerodispersionpointat560nm)NonlinearPCF(CrystalFiberA/S)SpecificationCoresize:2.0µmNumericalAperture:0.41±0.03Attenuation@550–1150nm:0.15dB/m400600800100012001400-110-100-90-80-70-60-50-40150mWpumppower@780nm,50fspulsewidth,76MHzrep.rateIntensity[dB]Wavelength[nm]600650700750800850900-150-100-50050Dispersion[ps/nm/km]Wavelength[nm]气体扩散测量-8-6-4-2015201523152615291532153515381541Wavelength(nm)PowerDifference(dB)Acetylene(C2H2)andairactedastwodifferentgasspeciesintheexperiment.Experimentalsetup:ASESource,TOFwithbandwidthof0.02nm,10cmPCF,gap=50m.PBFGasSensorThediameterofthehollow-core=10.5μm,theair-holediametersinthecladdingare~3.3µmThemeasuredrelativesensitivityofthePBF=95.45%第二节高灵敏度吸收光谱技术激光强度波动等对吸收谱的测量产生影响，这种波动峰值在DC处，并以1/f衰减，频率调制将信号移至高频，避免了1/f噪声。第二节高灵敏度吸收光谱技术调制后透射光强泰勒级数展开整理后可得第二节高灵敏度吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术采用谐波探测技术提高探测性能GasabsorptionlineLaserspectrumWavelengthmodulation2ndharmonicsignalSlowScan1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-6-4-2024x10-3(a)FirstHarmonicSignalarb.unit1530.21530.251530.31530.351530.41530.451530.51530.551530.6-2-101234x10-3(a)SecondHarmonicSignalWavelength(nm)arb.unit第二节高灵敏度吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术二、腔内吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术腔内吸收光谱技术的灵敏度分析(1)多次通过效应(2)阈值效应(3)模式竞争效应第二节高灵敏度吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术三、外腔吸收光谱技术腔振铃吸收光谱(CRAS-CavityRing-downAbsorptionSpectroscopy)技术与腔增强吸收光谱(CEAS-CavityEnhancedAbsorptionSpectroscopy)技术第二节高灵敏度吸收光谱技术02ILcTdtdI000/exp2/exptILcTtIIRRNe1高Q腔中的光场T为腔镜的透射率，L为谐振腔的两个反射镜间距FP干涉仪2/1RRcL10)1(0RcL第二节高灵敏度吸收光谱技术腔内放入样品时需考虑样品的吸收则振铃时间为其倒数为dllN)(11dllNRcL积分得11llNRcLlcN011被测分子数密度0111cN第二节高灵敏度吸收光谱技术腔振铃吸收光谱(CRAS)技术由光强的衰减率可计算出不同波长对光的吸收腔振铃吸收光谱通过作衰减速率对频率的关系曲线来获得研究体系的吸收光谱第二节高灵敏度吸收光谱技术腔振铃吸收光谱(CRAS)技术分为脉冲激光CRAS技术和连续波CRAS技术脉冲激光CRAS技术、连续波CRAS技术腔增强吸收光谱(CEAS)技术第二节高灵敏度吸收光谱技术脉冲激光CRAS技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术快速吸收光谱技术在物理、化学和生物学等领域中存在着一些快速的光物理与光化学过程：非线性光学过程;振动解相和振动弛豫过程生物系统中