利用中紅外超連續(xù)光源研究各種氣體在中紅外波段的吸收特性 - 筱曉光子實(shí)驗(yàn)分析⑤

2021-09-28 10:11:35

當(dāng)一束激光穿過氣體時(shí)，如果激光正處于某個(gè)特定的波長，氣體會(huì)大量吸收光子，導(dǎo)致透射出氣室后激光在該波段的功率會(huì)突然下降，但是其他不在氣體吸收波段的激光功率不會(huì)下降，這導(dǎo)致最終的光譜圖在吸收波段處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，這被稱為該氣體的吸收峰。不同的氣體都有它獨(dú)特的吸收波段作為該氣體的識(shí)別碼，它在氣體濃度檢測(cè)方面具有至關(guān)重要的作用。

要探究氣體未知吸收峰，TDLAS等通過連續(xù)光掃頻檢測(cè)吸收峰的方案已不再適用，需要利用中紅外超連續(xù)光源直接探測(cè)氣體吸收峰。該方法相比前者更為直觀、高效，但是對(duì)光譜儀的測(cè)量精度和光源的譜寬要求非常高。

 本文搭建的中紅外吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)就是采用了直接吸收法，對(duì)氣體的吸收峰進(jìn)行直接探測(cè)，其實(shí)驗(yàn)裝置圖如下：

中紅外超連續(xù)激光器的輸出光譜范圍為2um~4um，輸出光平均功率為1W，利用橫河光譜儀AQ6377測(cè)量輸出光的光譜，如下圖所示（中間2700nm處的凹陷為空氣中水分子的吸收峰）：

由圖可以看出，該激光在各個(gè)波段的輸出光功率都保持穩(wěn)定，完全可以用于測(cè)量2um~4um的物質(zhì)吸收峰。

 由于該脈沖光峰值功率過高，直接進(jìn)入氣室可能會(huì)損壞氣室內(nèi)部鍍膜，也遠(yuǎn)大于光譜儀的閾值功率，我們使用兩片分光鏡將功率衰減至80mW，同時(shí)調(diào)節(jié)兩片鏡子的反射角度，使得激光以最合適的角度入射氣室，并在氣室的出光口通過透鏡將氣體吸收后的激光耦合進(jìn)中紅外光纖，利用光纖將激光傳輸進(jìn)光譜儀進(jìn)行吸收光譜的測(cè)量。在測(cè)量結(jié)束后，計(jì)算機(jī)利用以太網(wǎng)收集光譜儀的數(shù)據(jù)，并和SpectraPlot的官方吸收光譜做對(duì)比。我們分別測(cè)量了C2H2、C2H6、C3H8以及NH3的吸收光譜，測(cè)量結(jié)果與SpectraPlot的數(shù)據(jù)較為符合，如下圖所示：