光腔衰荡吸收光谱系统设计与实现

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光腔衰荡光谱(Cavity ring down spectroscopy,CRDS)技术是一种新型的间接吸收光谱检测技术,在大气化学、化学反应动力学研究、痕量气体的监测、等离子物种的诊断、污染物的监测控制等领域有广泛应用。经过近三十年的发展,国外已经有基于CRDS的商品化仪器出现,但国内对CRDS的研究大多还处于实验室阶段,由于国外仪器引进价格昂贵且后期维护繁琐。因此,开展CRDS技术方面的研究,对基于CRDS原理的仪器国产化有积极意义。基于此,本论文完成了 CRDS系统设计与搭建,电路测试,信号分析和系统可行性验证等内容。基于波长扫描法,本论文以DFB封装的近红外可调谐连续半导体激光器作光源搭建了小型CRDS系统。设计了一种用两面99.99%高反镜组成谐振腔的小气室吸收池,搭建了以谐振腔为中心左右对称的光路结构,实现了触发电路用于控制AOM对激光的关断,编写了用于处理衰荡信号的采集程序,介绍了CRDS系统的工作流程。完成了系统电路的测试,通过电路仿真和光学系统真实信号测试对比所设计的多种触发电路的工作特性,确定了 OPA2365-555单稳态触发电路和信号放大电路集成并使用PIC16F87辅助调节的实验方案,将电路响应时间控制在200 ns以内,实现了对激光的快速关断。完成了系统软件的调试,基于L-M算法对衰荡曲线进行非线性拟合获得了衰荡时间。通过讨论时间窗和平均次数对拟合时间的影响,确定了拟合起始点和采集平均次数,提升了信噪比。最终获得了 H2O在6626.47 cm-1、6626.52 cm-1、6627.7 cm-1以及6628.25 cm-1等处的衰荡谱线,证明了本CRDS系统可高分辨率探测样品的吸收光谱。
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