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可调谐二极管激光波长调制光谱技术的模拟研究

作　者: 陈斌
导　师: 郑仰东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 模拟气体监测吸收光谱波长调制光谱可调谐二极管激光器
分类号: O433.54
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

可调谐二极管激光波长调制光谱(TDLWMS)技术作为气体实时在线监测最具潜力的技术之一,具有光谱分辨率高、探测限低、响应速度快和灵敏度高等特点。随着计算机技术的发展,我们可以利用计算机在虚拟仪器平台实现对TDLWMS技术的模拟。特别是在TDLWMS技术所应用的商业化TDL还未覆盖到的吸收波段,模拟不同气体参量和光学参量变化对测量的影响,有助于理解TDLWMS技术的各个物理过程,不仅可为实验具体参数设置提供参考,也可为该技术实际应用的可行性进行评价。本文利用虚拟仪器平台Lab VIEW编程实现TDLWMS技术的模拟,为该技术在气体监测中的应用奠定了理论基础。本论文的工作主要包括气体的直接吸收信号模拟和波长调制光谱技术的模拟。直接吸收信号的模拟是从Beer-Lambert吸收定律出发,由HITRAN数据库获取气体吸收线所需的光谱信息,利用Lab VIEW编程模拟出气体直接吸收信号。不同线型的计算结果与商业光谱软件Hitran-PC的结果进行了比较,以CO2在4815 cm-1到4835cm-1波段处的吸收为例,二者的计算结果最大偏差小于1%。讨论了温度对直接吸收信号的影响,以330ppm的CO2在4828.4cm-1处波段处的吸收为例,在大气压为O.1atm、吸收光程为1000m时,给出了300K到560K间的温度修正曲线,模拟了相同的吸收线在296K下吸收信号随压强的变化。波长调制光谱技术的模拟工作首先从TDLWMS技术基本原理出发,推导了TDLWMS技术的谐波分量,讨论了光强调制对引起二次谐波信号畸变的影响,利用LabVIEW编程实现了对直接吸收信号的调制和解调的模拟,利用标准具测量了TDL的基本调谐参数。然后结合实验室现有的条件,以CO2在1.57μm波段处吸收为例,模拟出二次谐波信号,并比较气体吸收率与二次谐波信号幅度的关系,讨论了不同线型的二次谐波信号随温度和压强变化的情况。最后从理论和实验上验证了二次谐波幅度随调制系数变化情况,理论计算和实验测量结果都与模拟结果吻合得很好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 TDLWMS技术发展现状  10-12
  1.3 课题主要研究内容  12-14
第2章直接吸收信号的模拟  14-33
  2.1 引言  14-15
  2.2 Beer-Lambert定律  15-20
    2.2.1 气体吸收线强S(T)与分子数密度N  15-16
    2.2.2 归一化线型函φ(v)  16-20
  2.3 直接吸收信号的模拟结果和验证  20-32
    2.3.1 直接吸收信号的模拟结果  20-25
    2.3.2 温度对吸收信号的影响  25-29
    2.3.3 压强对吸收信号的影响  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章波长调制光谱的模拟  33-64
  3.1 引言  33-34
  3.2 波长调制光谱的基本原理  34-37
    3.2.1 TDLWMS技术的谐波分量  34-36
    3.2.2 光强调制对谐波信号的影响  36-37
  3.3 TDLWMS技术实验准备工作  37-45
    3.3.1 标准具的工作原理  37-39
    3.3.2 TDL调谐系数测量  39-42
    3.3.3 TDL波长的标定  42-45
  3.4 波长调制光谱的模拟  45-50
    3.4.1 调制信号的模拟  45-48
    3.4.2 解调信号的模拟  48-50
  3.5 二次谐波信号的模拟  50-58
    3.5.1 二次谐波信号与吸收率的关系  50-52
    3.5.2 二次谐波信号随调制系数的变化  52-54
    3.5.3 二次谐波信号随温度的变化  54-56
    3.5.4 二次谐波信号随压强的变化  56-58
  3.6 二次谐波信号峰值随调制系数变化  58-63
    3.6.1 理论计算  58-60
    3.6.2 模拟结果与理论计算比较  60-62
    3.6.3 模拟结果与实验验证  62-63
  3.7 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间发表的论文及专利  69-71
致谢  71

可调谐二极管激光波长调制光谱技术的模拟研究

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