激光腔衰荡光谱用于水中溶存气体探测的可行性实验研究

【摘要】海洋与大气之间通过动态海气交换相互影响，使得海洋成为众多大气成分的“源”和“汇”。海洋中溶存气体的分布与变化涉及到气候变化、环境保护和资源开发等领域。对水中溶存气体，包括海洋和河湖等水体中的溶存气体，进行现场、快速和连续观测需要发展能够适应水下工作环境的溶存气体传感器。激光腔衰荡光谱（CavityRingdownSpectroscopy，简称CRDS）技术是近20多年发展起来的一种增强型激光吸收光谱技术，它具有探测灵敏度高、光谱选择性好、响应速度快，特别是可绝对定量的优点，将其应用于海洋探测需要解决“小型化”和“稳定性”两个方面的问题。本论文作为CRDS技术应用于海洋探测的一项预研工作，定位于CRDS的技术研究，设计并搭建以小型化和稳定性高为特点的CRDS实验平台，开展系列实验研究以评估该技术应用于水中溶存气体探测的可行性。本论文前两章介绍了论文工作的选题背景和意义，CRDS基本原理、关键器件和探测灵敏度分析，从研究应用领域和基于CRDS的传感器发展等角度综述了其研究进展，并论述了CRDS水下应用的相关探索。第三、第四和第五章是本论文的主体——作者完成的工作，包括：搭建脉冲波腔衰荡光谱（Pulsed-CRDS）实验平台并进行定量探测能力评估，设计并实现针对高灵敏度探测需求的连续波腔衰荡光谱（CW-CRDS）实验系统，对系统的探测能力及应用于水中溶存甲烷探测的可行性进行评估。第三章是针对稳定、小型化要求的Pulsed-CRDS定量探测实验研究。利用实验室现有条件搭建了266nm波长Pulsed-CRDS实验平台，通过采用小型化的实验设备提高光学平台部分的集成度，将该光学平台固定于一块600mm×250mm×10mm（长宽厚）的铝板上，能够满足海洋乃至深海探测运载器的搭载要求。针对所采用的激光器输出波长为266nm，分别以具有不同吸收截面的丙酮（C3H6O）和二甲基二硫（C2H6S2）为研究对象，制备了不同浓度的模拟实验样品，采用了减背景法的数据处理方法，对实验系统的稳定性、灵敏度和定量分析能力进行了评估。实验结果表明，pulsed-CRDS实验系统响应速度快（数秒量级）、稳定性高（<0.5%）、对不同物质浓度具有线性响应，而且减背景法能够有效校正实验系统的定量探测能力。该实验系统还被用于对含丙酮呼出气的定量探测。通过比较现有实验结果，估算pulsed-CRDS实验系统对甲烷的理论探测极限在0.4ppm（partspermillion，百万分之一）以下。在第三章工作的基础上，第四章针对更高灵敏度的探测需求以及切实可行的实验条件，设计并实现了利用电流调制法的连续波腔衰荡光谱（CW-CRDS）实验系统。在这一设计方案中，一方面采用三角波电流周期性地调制分布反馈式半导体二极管激光器输出波长，以电流调制的方式实现腔激发；另一方面，通过关断激光工作电流的方式关断连续激光输出，以实现腔衰荡。这样的设计方案避免了光开关和压电换能器等光学和机械器件的使用，简化了系统结构，有助于实现小型化以及提高实验系统稳定性。在完成仪器选型及系统搭建后，通过精确控制系统时序以及分析各部件响应特性，实现了基于电流调制法的CW-CRDS实验系统腔激发及腔衰荡，并采集到了腔衰荡信号。利用第四章所建立的CW-CRDS实验系统，第五章实现了甲烷（CH4）光谱数据的采集。首先，根据实验研究对象——甲烷在近红外1.65μm处的泛频2ν3吸收光谱R(4)支谱线，确定了实验系统各部分参数选择以及实验系统的工作模式——单波长模式和波长扫描模式。其次，评估实验系统定量分析能力，包括数据采集及拟合处理过程的影响因素研究，实验系统稳定性和探测极限分析等，该实验系统在3-σ准则下对甲烷的理论探测极限为42ppb。最后，以波长扫描的方式实现了甲烷泛频2ν3吸收光谱R(4)支谱线完整腔衰荡光谱数据的采集，利用减背景法计算得到实验室空气中甲烷浓度为2.06ppm，略高于文献报道的大气中甲烷浓度值1.8ppm。第六章在总结完成工作的基础上，从水中溶存气体探测传感器应用的角度提出了下一步工作设想，包括控制系统的集成化和工程化，与实验室研制的脱气系统进行对接联调等。本论文的工作为发展一种可应用于现场的CRDS的水中溶存气体传感器提供了技术支持和数据基础。
【作者】王振南；
【导师】郑荣儿；王储记；
【作者基本信息】中国海洋大学，海洋信息探测与处理，2014，博士
【关键词】脉冲波腔衰荡光谱；连续波腔衰荡光谱；水中溶存气体；水下传感器；甲烷；定量探测；

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