基于Chernin型光學多通池的一氧化碳和二氧化碳測量系統(tǒng)研究

陳亞歌 佘新宇 劉新 張剛 張婷 蔡廷棟

摘? 要：光學多通池被廣泛應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)可調諧二極管激光器作為光源，結合長程吸收以及波長調制技術，探測了在1.571μm附近，光程長為28.8m的Chernin型光學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。結果表明，系統(tǒng)的探測靈敏度可達6.064ppm，此外，利用該系統(tǒng)實現了的大氣中一氧化碳與二氧化碳的濃度的同時探測，得到大氣中的二氧化碳濃度為244ppm。

關鍵詞：二氧化碳;一氧化碳;波長調制;Chernin型光學多通池

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

0? 引? 言

隨著全球工業(yè)化進程的加快，大量礦質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物，會嚴重危害人類的身體健康，對其排放標準的要求也越來越嚴格。全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題已經成為世界各地人們關注的焦點，直接威脅人類的健康生存、動植物的生長，甚至影響著整個生態(tài)的平衡發(fā)展[1，2]。由此可見，實現CO2和CO的快速高靈敏度的測量成為國內外重要的研究方向。

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

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

2? 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，實驗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諧、單色性好、堅固緊湊、體積微小、使用方便等特點。將正弦波和頻率為1Hz的三角波疊加后共同驅動激光器進行波長掃描。正弦波由其中的一臺鎖相放大器產生，該信號作為參考信號同時被送入到另一臺鎖相放大器中。經過Chernin型光學多通池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行解調，得到一次諧波信號，另一臺在二倍參考頻率處解調信號，得到二次諧波信號。輸出的電信號經數據采集卡由計算機進行采集、存儲，并用于進一步的分析處理。

利用這一關系，可以有效地消除電流調諧的非線性效應，但是對譜線的吸收線型不會產生影響，其中黑色的點為實驗中所測得的數據，紅線為擬合的曲線，藍色、黑色、綠色的線分別為CO2、CO以及水在HITRAN數據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驗中所測得的CO和CO2。

調制光譜可以調節(jié)調制振幅和頻率等參數減小可能在直接吸收光譜（Direct absorption spectroscopy，DAS）中出現的光學噪聲，比DAS有一定優(yōu)勢。實驗過程中，函數發(fā)生器（DG1000Z RIGOL）提供的三角波頻率為1Hz，通過調節(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，最后選擇調制頻率為18kHz，相位為85.143。

本實驗中，首先將Chernin型光學多通池抽至10-2Pa的極低壓力，用純度為99.999%的氮氣對其潤洗—抽至真空—再次潤洗，多次重復用以去除吸收池內的雜質氣體。然后再次抽成極低壓力，將CO和CO2以及高純度的氮氣分別先后通入Chernin型光學多通池中，靜置一段時間等待其混合均勻，使用電腦配合軟件程序進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，每次實驗數據采集完畢之后，再次進行新的實驗，均需要重復上述清洗步驟才能進行下一組實驗。

4? 實驗結果與分析

在Chernin型光學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，實驗結果如圖3所示，從圖中可以發(fā)現其不同濃度下的信號峰值有較好的線性關系，提取其峰值分別進行線性擬合，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型光學多通池采集空氣中的CO以及CO2的二次諧波，經過Origin軟件處理數據得到空氣中的CO以及CO2的二次諧波圖，從圖中可以看出CO2的二次諧波相當明顯，通過計算可以得到大氣中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，從而可以達到極高的靈敏度。但實際上系統(tǒng)僅僅是在一定的時間范圍內保持穩(wěn)定。為了評估測量系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定性，實驗中在控制壓強和溫度不變的情況下，進行了連續(xù)五個小時的檢測，系統(tǒng)的整體性能可以用Allan方差來描述，實驗所得到的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? 論

實驗中建立了一套基于Chernin型光學多通池的TDLAS系統(tǒng)，有效吸收光程可達28.8m。Chernin型光學多通池具有鏡面利用率高、加工成本低、結構緊湊的優(yōu)點，可以實現小體積長光程，在氣體探測領域有廣泛的應用。本實驗使用1.571μm的DFB二極管激光器作為光源，采用波長調制結合長程吸收方法，對CO和CO2分子進行了同時探測，系統(tǒng)的探測靈敏度為6.064ppm，并將該系統(tǒng)應用于實際大氣中CO和CO2的同時探測，達到了實驗預期結果。

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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;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及應用、精密激光光譜、高性能氣體光學傳感技術及應用。