激光吸收光谱技术PPT课件

第四章激光吸收光谱技术 1 PPT交流学习 第一节基本吸收光谱技术第二节高灵敏度吸收光谱技术第三节耦合双共振与快速吸收光谱技术第四节外场扫描吸收光谱技术第五节光声与光热光谱技术 2 PPT交流学习 1 Beer定律当一束光穿过某种介质时 介质分子要对光产生吸收 为了获得某种分子在某个波段上的吸收光谱 通常采用一个发射连续谱的光源 通过透镜L1将光源发出的光变成平行光束 然后通过充满该分子的吸收池 透射光束经会聚透镜L2会聚到光谱仪 单色仪 的入口狭缝 第一节基本吸收光谱技术 3 PPT交流学习 图4 1传统吸收光谱实验装置 发射连续谱的光源 传统吸收光谱 4 PPT交流学习 分子吸收入射光束在传输过程中要产生衰减 用光谱仪作波长选择器 由光电检测器检测记录下以频率 或波长 为函数的透射光强IT 就得到该分子在这个光谱区上的吸收光谱 5 PPT交流学习 当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后 其强度会因分子吸收而衰减 入射光在穿过厚度为dl的分子层时其强度的衰减量dI与传输到这里的光强I成正比 当 为与光强无关的常数时 这种线性吸收 dI I 称为朗伯 比尔 Lambert Beer 定律 初始光强 表示单位路程上吸收系数 6 PPT交流学习 光谱的形成 7 PPT交流学习 在光谱工作中 吸收系数 是一个重要得测量参数 由Beer定律可知 它可由吸收光程L与测量透过样品的光强IT 来计算 一般气体样品吸收系数 比较小 x 1 8 PPT交流学习 爱因斯坦的能级跃迁 入射光频率 2 1 h 分子才能吸收入射光 在厚度为dl的分子层内 强度为I的入射光的衰减量dI 能级1上的粒子数与辐射场的能量密度 的乘积 什么是吸收系数 能级1 2跃迁的爱因斯坦系数 吸收跃迁几率 9 PPT交流学习 什么是吸收线型 为面积归一化函数 可能是 Lorentz Gauss Voigt函数中的一种 cm 10 PPT交流学习 什么是吸收线强 Laserspectroscopyanditsapplication 11 分子吸收线强 浓度 压力 S cm 2 atmX ConcentrationP atm 11 PPT交流学习 什么是吸收线强 配分函数 跃迁对应的低能级能量 Kelvin温度 波数cm 1 波尔兹曼常数 普朗克常数 12 PPT交流学习 考虑到 围绕中心频率 0存在线形分布 0 0 0 什么是吸收系数 用来估算吸收光谱技术的探测灵敏度 13 PPT交流学习 用吸收系数 表示Beer定律 S cm 2 atmX ConcentrationP atm cm L cm 14 PPT交流学习 激光吸收光谱 15 PPT交流学习 16 PPT交流学习 激光所具有的特点是 谱线宽度极窄相干性优良光谱功率密度高波长可调谐 频率与幅度进行调制等 激光吸收光谱特点 17 PPT交流学习 1 有很高的光谱分辨率在传统吸收光谱技术中 光谱的分辩率受到谱线展宽效应的限制 又受仪器分辨率的限制 例如受到分光元件 如光栅 分辨率和狭缝宽度等因素的影响 激光光谱中使用线宽很窄的激光光源 只要通过逐一调谐激光波长 就可从光电检测器直接给出以波长 或频率 为函数的透射光强I1 当波长扫过所需测量的光谱区后 就得一幅吸收光谱谱图 18 PPT交流学习 因此当使用线宽很窄的激光光源时 光谱分辨率主要决定于被测分子的谱线的展宽效应 不再受到光谱仪器的限制 激光光源的线宽一般可以达到10 5 10 8cm 1数量级 也就是说MHz KHz 用这样的窄谱光源就可获得原子分子的一些谱线中的精细结构 19 PPT交流学习 图4 2SF6分子的 3带的吸收光谱 用半导体激光器测量到的SF6分子的 3带的高分辨红外吸收光谱 其分辨率达到3 10 5cm 1 图中还给出了用采用性能优良的光栅红外光谱仪测量 分辨率 0 07cm 1 所测的同一个光谱 可见如用传统技术就不能记录到在950cm 1波段附近的复杂光谱结构 20 PPT交流学习 2 很高的检测灵敏度 根据朗伯 比尔定律 吸收强度随吸收光程增加而增加 因而增加吸收光程亦可提高检测灵敏度 普通光源的强度低发散角大 不能通过增长样品池来提高检测灵敏度 激光是单色亮度高 准直性能好 可以用多次来回反射的样品池增加吸收光程 对于吸收系数小 被检测粒子稀疏的物质 增加吸收光程是一种很有效的提高检测灵敏度的办法 21 PPT交流学习 图4 3激光吸收光谱测量原理装置 22 PPT交流学习 激光光源的光谱功率密度很高 因此探测器本身的噪声可以忽略不计 虽然激光强度起伏会影响灵敏度 但可以采用平衡检测方法克服激光强度起伏引起的影响 23 PPT交流学习 如 将入射激光I 分成探测光束I1 I 与参考光束I2 1 I 为分束器的分束比 参考光束I2 直接到达探测器PD2 探测光束I1 在穿过样品池后到达探测器PD1 光强为I1 设被样品吸收的光强为 I 则 24 PPT交流学习 探测器PD1与PD2输出到平衡器 则平衡器的输出信号Is 比例于 当 1 2时 Is 为 吸收光谱 25 PPT交流学习 只要可分辩光谱间隔 优于吸收线的线宽 检测灵敏度随着光谱分辨率 的增加而增加 设 单位吸收光程的相对强度衰减为 假设在 间隔内I 基本保持不变 则有 26 PPT交流学习 用很窄的激光可得很小的光谱间隔 从而大大增加了检测灵敏度 27 PPT交流学习 3 能实现高精度的光谱定标激光在入射光束在进入样品池之前用一分束器分出一束弱光 将其耦合进F P干涉仪 当调谐激光频率时 干涉仪将透射出一系列极大值 两极大值之间的间距由干涉仪的自由光谱区 ffsr决定 fsr c 2nrL L为干涉仪两反射镜间的距离 将干涉仪透射极大值同时记录到光谱图上 就完成了对光谱的波长标度 28 PPT交流学习 29 PPT交流学习 激光光谱的用途 1 测量浓度 成分识别 30 PPT交流学习 激光光谱的用途 2 测量速度 含有Doppler加宽宽度 31 PPT交流学习 激光光谱的用途 2 测量速度 32 PPT交流学习 激光光谱的用途 3 测量温度 33 PPT交流学习 激光光谱的用途 3 34 PPT交流学习 激光光谱的用途 3 Laserspectroscopyanditsapplication 35 测量温度 35 PPT交流学习 提高激光光谱的探测灵敏度的方法 1 压制噪声2 选择S3 增大吸收路径 36 PPT交流学习 1 频率调制光谱技术1 1基本原理透过吸收池的光强来获得吸收光谱的背景噪声来源 吸收池窗的吸收 激光强度的起伏 吸收池内被测分子的密度起伏 由于背景噪声的频谱在低频段 采用对激光频率进行高频调制的方法可以抑制这种低频背景噪声 第二节高灵敏度吸收光谱技术 37 PPT交流学习 38 PPT交流学习 调制的具体方法根据激光器结构有不同特点 对染料激光器通常的做法是改变谐振腔长度或加入标准具的方法进行调制对半导体二极管激光器 可以对电流进行交流调制 且连续调谐 对于在中红外区光谱区进行分子振动和转动的高光谱分辨率检测提供了非常优越的光源 因此以频率调制为基础的TDLAS迅速发展起来 与长光程吸收池技术相结合 成为一种重要的痕量气体检测方法 39 PPT交流学习 调制光谱技术 波长调制光谱与频率调制光谱 两者的主要差别 调制频率和调制幅度波长调制 调制幅度大 接近被测谱线的线宽 而调制频率较低 数kHz到数十kHz 频率调制 调制幅度较小但调制频率很高 数百MHz 与被测谱线的线宽相当 频率调制在数百MHz的频率调制 各种噪声已降低到可忽略的水平 因此可以达到高的检测灵敏度 但频率调制光谱的解调困难 检测结果的分析比较复杂 因此波长调制光谱相对实用 40 PPT交流学习 图4 4波长调制吸收光谱技术的示意图 波长调制吸收光谱技术 函数发生器产生的数十Hz的线性扫描与数十kHz频率 m的正弦迭加信号 注入进二极管激光器 产生波长调制光谱 激光器的输出光频率在作线性扫描的同时还受交流调制Acos mt 受调制吸收信号经光电检测器检测后送入相敏检波器检测出样品的吸收光谱 41 PPT交流学习 42 PPT交流学习 图4 5波长调制的基本过程 43 PPT交流学习 波长调制所产生的吸收曲线特征 对于一次谐波解调 吸收曲线的较大斜率处时将产生幅度较大调制强度信号 在谱线的中心频率 0两侧 产生的调制信号相位相反 在谱线中心频率 0处 调制信号的幅度很小 且信号的调制频率的基频上升为2 m 44 PPT交流学习 设吸收线的线宽为G 当调制频率偏移远小于线宽 F m 高阶项可以忽略 当在调制频率 m上进行相敏检测 就得强度比例于样品吸收的一阶导数的信号 当吸收很弱 PXSL 1 经调制后的透过光强可以展开为 45 PPT交流学习 分子吸收线的各次调制谐波都可作为探测信号 即可在调制频率的高阶谐波n m上相敏检测 解调 这时信号强度正比于吸收线的高阶导数 第n次谐波强度In正比于 的第n次导数 46 PPT交流学习 如何获取最高检测灵敏度 在WMAS中一般并采用最优调制使An达到最大值 即最佳调制系数 在实际测量中通常采用调制频率的二次谐波检测 对于二次谐波检测最优调制系数为2 2 定义 调制系数 m 调制振幅 半宽 47 PPT交流学习 图4 6小幅度调制 m 0 1 与最优调制 m 2 2 下的二次谐波线形 纵坐标为二次谐波的输出值A2与入射光强I0之比 在最优调制下二次谐波线的强度可比小幅度调制时增强2个量级 48 PPT交流学习 图4 7一个波长调制激光吸收光谱原理图 1 2二极管调制激光吸收光谱仪举例 分束器2 98 光程长度 工作气压 温度在一定范围内可调 用于光路调整 1 57 m的DL 49 PPT交流学习 2 1基本原理腔内吸收光谱技术是将样品池放入激光谐振腔的一种光谱技术 激光谐振腔内 激光增益介质 被测样品物质 腔内的光束既是激光器振荡谱线 又是样品分子的激发光束 该方法比传统吸收光谱的灵敏度高得多 2腔内吸收光谱技术 50 PPT交流学习 腔内吸收装置需要考虑样品的吸收谱线与激光谱线之间的相对线宽 选用激光器以及采用的检测方法等 如果样品的吸收带相对较宽 就要选用可调谐激光器 使激光波长在吸收带的范围内扫描 51 PPT交流学习 激光腔内吸收光谱测量装置 样品未吸收时的激光输出光强I0为探测器D输出的基线 当激光波长扫描到样品的某个吸收峰上时 激光器的输出光强将下降 强度变化就构成了吸收谱线 变化的幅度就是吸收谱线的强度 样品对激光吸收越强 输出光强越小 吸收谱线越大 调谐波长实现波长扫描 52 PPT交流学习 腔内吸收光谱除强度检测外 还可作为受激分子发射的荧光检测方法 当样品吸收激光后 样品从低能态激发到高能态 然后高能态返回基态时发射荧光 因此荧光强度同样反映了腔内吸收情况 荧光谱是与吸收谱曲线是完全对应的 采用荧光方法检测时 通常在吸收池的侧面开一个荧光收集口 大口径透镜 滤色器等 收集荧光 采用宽带激光进行激发时 由于被测样品的吸收线很窄 不对激光波长进行调谐也能对分子谱线的检测 2 1腔内吸收光谱的相关技术 53 PPT交流学习 腔内吸收光谱的灵敏度很高 灵敏度增高的原因很复杂 通常可以从三方面分析 2 2腔内吸收光谱技术的灵敏度分析 54 PPT交流学习 1 多次通过效应激光腔是光学谐振腔 光在腔内多次来回传播通过样品池 由于激光介质的增益 光在吸收池中的损耗代替了反馈增益 使样品对吸收产生增强效应 设一个均匀展宽双模激光器 激光介质对两个模的增益相同 腔内样品对其中一个模无损耗 该模传输系数为1 0 另一个模的单程损耗为0 001 其腔传输系数是0 998 腔内一次来回 两模的光强比是1 0 0 998 两次来回的光强比为 1 0 2 0 998 2 来回次数增多形成增强效应 55 PPT交流学习 2 阈值效应激光器是一个阈值器件 增益到阈值才能振荡 腔内样品吸收引起的损耗影响激光的输出功率 根据输出功率与反射镜的透射率关系 阈值效应引起的灵敏度增强可表达成 在阈值附近 检测灵敏度不会变成无限增大 因为讨论中没有包括进噪声 噪声也将随着吸收的增加而增加 因此在阈值附近信噪比不会有很多改善 增强因子 增益 谐振腔的损耗 增益很高时 接近阈值 56 PPT交流学习 3 模式竞争效应吸收池可以看作均匀介质 对均匀增益介质有模式竞争效应 增益高的模强度增长要消耗其它模的强度 最终振荡模剩下一个 实际上激光器的激光模式很多 可以同时存在很多振荡纵模 因为激光振荡中多种复杂原因造成的 如空间烧孔效应 介质非均匀性 外在或内在的扰动等 当用宽带激光 如染料激光 照射窄带吸收样品时 吸收体对激光的不同谱线的吸收存在着模式的竞争 模式竞争的结果吸收线中心的吸收强度大大增加 从而提高了光谱的检测灵敏度 57 PPT交流学习 当腔内未放样品时 光通过增益介质后的光强I可以写为 设反射境M1和M2的反射率为分别为R1和R2 当光在腔内往返一次后光强的变化为 初始光强 增益系数 增益长度 两反射镜的平均反射率 58 PPT交流学习 当腔放置样品后 设光通过样品的透射率为T 则光在腔内往返一次后光强的变化为 若光在腔内往返了n次 则激光输出光强为 反射镜和样品吸收引起的腔损耗 59 PPT交流学习 当腔未放样品时T 1 腔损耗 lnR 腔内放置样品与未放置样品时激光输出光强的比值为 60 PPT交流学习 设A 为腔内放置样品后的吸收 A log In I A1为光通过样品一次的吸收 由腔的光子寿命 决定 激光腔内吸收光谱的检测灵敏度决定于光在腔内往返n次数 或腔的光子寿命 61 PPT交流学习 2 3腔内吸收装置应用举例 I2蒸汽腔内吸收装置 折叠腔连续染料 R6G 激光器 I2蒸汽吸收池 浓度由温度控制 当腔内没有吸收时 入射的激光束产生强度相等的I2荧光谱线 光电倍增管输出强度相等的两个信号 若在吸收池内有痕量同位素如I127 由于激光在这一频率上的吸收 则外吸收池的荧光将出现下降 甚至被熄灭 而荧光池的荧光强度并无改变 等浓度的同位素I129 I127 检测器 I127 I129 62 PPT交流学习 腔内吸收光谱技术利用了谐振腔的谐振特性与激光的增益特性 成了一种高灵敏度的检测技术 实际上 利用被动谐振腔也可以实现高灵敏度的光谱检测 如 腔振铃吸收光谱 CRAS CavityRing downAbsorptionSpectroscopy 技术与腔增强吸收光谱 CEAS CavityEnhancedAbsorptionSpectroscopy 技术 3外腔吸收光谱技术 63 PPT交流学习 外腔吸收光谱技术需要使用高Q值的光学谐振腔 设想有一束激光入射到高Q值的光学谐振腔 当腔内逐步建立起来的光场达到一定强度时 通过光学开关瞬间切断入射光 则光学腔内光强I的时间变化为 3 1高Q光腔中的光场 腔镜的透射率 谐振腔的两个反射镜间的距离 64 PPT交流学习 结论 透射引起腔内光场能量的损耗 腔内光强以指数规律衰减 光电检测器接收透过腔后的光强 可记录腔内光强随时间的变化 这种指数规律衰减的光强变化被称为光腔的振铃效应 CavityRing downEffect 腔内建立的起始光强 0 2L cT腔的振铃时间 65 PPT交流学习 图4 10高Q光腔中的腔内光强随时间的变化 66 PPT交流学习 实际上一个高Q值光学谐振腔看作为一个长间距的法布里 珀罗干涉仪 腔内的光能损耗包括反射镜的透射损耗T与散射及吸收损耗S 腔内的光能守恒可以表述为R T S 1 因此谐振腔的总损耗为1 R T S 这里R为腔镜的有效反射率 它与腔镜的两个反射镜反射率R1 R2的关系为 67 PPT交流学习 通常可对谐振腔定义一个精细常数 空腔的腔振铃时间 0与反射率R的关系 c 2L为腔的纵模间隔 腔的纵模宽度 1 2 68 PPT交流学习 可见反射率R越高 腔振铃时间 0越长 在外腔光谱技术中 R 0 99 因而空腔的腔振铃时间 0近似为 设L 30cm R 0 999 69 PPT交流学习 腔内放进测试样品 则需在总损耗 1 R 中要加进样品吸收而引起的损耗 在光频率 处的腔振铃时间 为 可见腔振铃腔的腔振铃时间由于吸收而减小 70 PPT交流学习 其倒数为 因此可以从腔振铃时间的倒数之差中求得被测分子的浓度 与分子浓度及吸收线强成正比 71 PPT交流学习 假定腔的损耗与频率无关 样品吸收损耗是光频率函数 由光强的衰减速率可求得光谱区内样品在不同波长上对光的吸收 腔振铃吸收光谱 CRAS 技术是通过衰减速率对频率的关系获得吸收光谱 与通常吸收光谱技术测量样品对光吸收而引起强度变化不同 CRAS是测量因样品吸收而引起的腔内光强的衰变速率 时间 变化 可见CRAS测量与光源的光强涨落无关 这是CRAS的一个重要特点 由于所用光源的不同 CRAS又可分为脉冲激光的或连续激光的CRAS技术 3 2腔振铃吸收光谱 CRAS 技术 72 PPT交流学习 脉冲CRAS是光腔被光脉冲激发后 光电检测器便可检测到光强的时间衰变 如果激光纵模与谐振腔的腔模之间没有达到匹配 腔内光场就会出现干涉现象 两者间的干涉将导致腔内光强涨落 从而干扰光谱测量 也就限制了腔振铃吸收光谱的灵敏度的提高 由于脉冲激光的相干长度较短 它是许多纵模合成的光束 可以使腔内的光场干涉变为小振幅的随机涨落 减轻对光谱测量干扰 1 脉冲激光CRAS技术 73 PPT交流学习 图4 11腔振铃吸收光谱的典型结构 74 PPT交流学习 图4 12激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS光谱测量装置 激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS吸收光谱测量的实验装置 75 PPT交流学习 吸收光谱技术是建立在朗伯 比尔定律基础上的 激光光源的线宽必须远小于介质的吸收线宽 否则 腔内光强的衰减将不再遵循指数规律 连续波 cw 激光谱线的线宽比脉冲激光谱线窄得多 激光谱线远小于介质的吸收线宽实现测量的高分辨要求 连续外腔二极管激光器作激光源 其价格便宜 体积小 能高精度痕量气体测量的便携式装置 2 连续波CRAS技术 76 PPT交流学习 以cw激光对腔输入时 需要压电调制对腔长调制 使单频cw激光谱线与某腔模匹配 当该腔模上建立起足够强度 腔后光电检测器输出触发脉冲去驱动装置中的电光 EOM 或声光调制器 AOM 快速地关断激光 当关断时间短于腔振铃时间 腔内出现光强度的指数衰减 由于透过振铃腔的光强接近于进入腔内的光强 所检测到的CRAS信号的信噪比非常高 其光谱分辨率只与激发腔的谐振宽度有关 与激光谱线宽度无关 所以cw激光CRAS技术是高灵敏 高分辩的吸收光谱技术 77 PPT交流学习 外腔二极管激光作光源的cw CRAS装置 波长410nm 最大功率4mW 40dB 110MHz 78 PPT交流学习 振铃腔为高精细度谐振腔 反射镜的曲率半径为500mm 平均反射率R 0 999956 一个腔镜装置在压电传感器上 激光频率和振铃腔的TEM00相匹配 当信号强度达到某一选定的数值时 触发器输出触发电压去关断入射光束 利用本装置对NO2的测量的最小可检测数密度为9 8 109分子cm 3 相当于大气条件下0 4ppbv的浓度 79 PP