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半导体激光器吸收光谱分析测量技术的应用与研究

作　者: 穆立江
导　师: 陈章位
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 半导体激光器定量吸收光谱分子光谱与能级结构特征吸收谱线航天基金资助项目
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

半导体激光吸收光谱(Diode Laser Absorption Spectroscopy(DLAS))分析测量技术能很好的满足极端环境下的非接触式测量要求,可针对航空航天领域的各种测量和控制需求提供完整的测量方案。DLAS传感系统具有体积小、重量轻、可靠性高和测量的特定性好等优点。从而DLAS分析测量技术在航空航天领域有着广阔的应用前景。建立一套半导体激光器定量吸收光谱分析测量平台,用于半导体激光器吸收光谱分析测量技术的应用与研究。其中,该平台以氧气分子为实验和研究对象,以定量吸收光谱理论为基础,对氧气分子吸收光谱数据库进行了大量和认真的研究分析。通过该平台实现了对氧气分子定量吸收光谱数据的分析、测量、光电转换和采集,进而为氧气分子温度、浓度和速度等物理参量的计算提供可靠的光谱数据。本论文各章节主要内容概述如下: 第1章概述了半导体激光器吸收光谱分析测量技术的现状与发展,介绍了定量吸收光谱分析测量技术的课题背景,提出了课题研究的中的难点和创新点。第2章作为定量吸收光谱技术研究的核心器件和有效光源,阐述了半导体激光器的应用于光谱分析的测量原理。并对该实验平台所选用的DFB半导体激光器的调谐特性进行了深入分析和讨论。第3章对实验平台的原理进行深入分析,对光谱选律、氧分子能级结构和分子光谱以及定量吸收光谱理论进行了深入的研究,并导出了运用定律吸收光谱理论进行氧气分子浓度检测的计算算法及过程。第4章建立半导体激光器定量吸收光谱分析测量平台的硬件系统,其中包括系统整体框架、光路总体结构、光电信号前置处理电路的设计与应用。第5章对不同实验条件下获得氧分子定量吸收光谱数据测量结果进行了分析和讨论,并进而对氧气分子浓度的计算进行了标定。第6章对全文进行了简明的总结,展望该领域的研究。、

全文目录

第1章绪论  9-15
  1.1 课题的背景  9
  1.2 半导体激光器吸收光谱分析测量技术的发展及应用  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-13
    1.3.1 半导体激光器的研究历程  10-11
    1.3.2 DLAS分析测量技术应用  11-13
  1.4 论文的研究内容、难点和创新点  13-15
    1.4.1 研究内容  13
    1.4.2 难点和创新点  13-15
第2章半导体激光器光谱测量原理及其调谐技术  15-28
  2.1 半导体激光器的物质基础  15-16
  2.2 半导体激光器光谱测量原理  16-20
    2.2.1 半导体激光器工作原理：  16-17
    2.2.2 半导体激光器的粒子数反转条件  17-19
    2.2.3 半导体激光器有源介质的增益系数  19
    2.2.4 半导体激光器的光子反馈谐振  19-20
  2.3 半导体激光器的基本结构  20-21
  2.4 半导体激光器的主要性能参数  21-24
  2.5 DFB分布反馈式半导体激光器可调谐技术  24-28
    2.5.1 基于电流控制技术  24-25
    2.5.2 基于机械控制技术  25
    2.5.3 基于温度控制技术  25-28
第3章分子能级结构与分子光谱测量原理  28-41
  3.1 选律  28-29
  3.2 氧分子能级结构与分子光谱  29-36
    3.2.1 分子运动与分子能级结构  29-31
    3.2.2 氧分子光谱项  31-32
    3.2.3 氧分子在760nm处吸收谱线分析  32-36
  3.3 定量吸收光谱  36-41
    3.3.1 朗伯一比耳定律  36-37
    3.3.2 定量吸收光谱理论  37-41
第4章吸收光谱测量平台  41-59
  4.1 系统框架整体  41-42
  4.2 光路总体结构  42-46
    4.2.1 760nmDFB半导体激光器  42-45
    4.2.2 激光光束准直透镜  45
    4.2.3 光电接收和转换单元  45-46
  4.3 光电信号前置处理电路  46-59
    4.3.1 前置放大电路  46-52
    4.3.2 茄荡源电路  52-54
    4.3.3 低浓度测量时的微弱信号检测电路  54-59
第5章氧气测量实验数据分析  59-68
  5.1 氧气分子光谱数据测量过程  59-61
    5.1.1 半导体激光器的连接方式设定  59
    5.1.2 半导体激光器的工作温度设定  59-60
    5.1.3 半导体激光器的工作电流设定  60
    5.1.4 氧分子光谱测量过程  60-61
  5.2 定量吸收光谱扫描结果的分析和比较  61-64
    5.2.1 25℃ 2M光程下体积浓度21％时的激光光谱吸收标定结果：  61
    5.2.2 25℃ 2M光程下体积浓度15％时的激光光谱吸收标定结果：  61-62
    5.2.3 25℃ 2M光程下体积浓度10％时的激光光谱吸收标定结果：  62
    5.2.4 25℃ 2M光程下体积浓度5％时的激光光谱吸收标定结果：  62
    5.2.5 波长调制光谱WMP采用时的测量结果  62-64
  5.3 定量吸收光谱扫描结果特性分析与讨论  64-68
    5.3.1 温度展宽与压力展宽对测量结果的影响  64-66
    5.3.2 低浓度测量时的光谱调制深度影响  66
    5.3.3 激光器工作点不适对测量结果的影响  66-68
第6章总结与展望  68-70
  6.1 研究总结  68-69
  6.2 工作展望  69-70
参考文献  70-73
攻读硕士学位期间发表的论文  73-74
致谢  74

半导体激光器吸收光谱分析测量技术的应用与研究

内容摘要

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