大气气溶胶吸收特性的光纤式光热干涉测量技术研究

1、    大气气溶胶吸收特性的光纤式光热干涉测量技术研究    甘泉大气气溶胶粒子的光吸收一般比较微弱，但其对地球大气辐射收支平衡、激光大气传输等均具有重要的影响。目前，大气气溶胶粒子吸收系数的精确测量越来越受到重视，已经成为一个研究热点和技术难点，光热干涉技术通过测量气溶胶粒子光吸收热扩散效应产生的折射率变化，能够直接获取自然悬浮状态下气溶胶粒子的吸收特性，有效避免了粒子散射光的影响，干涉测量还具有极高的探测灵敏度。本文对大气气溶胶吸收特性的光纤式光热干涉测量技术进行了研究。大气气溶胶是指由大气介质和悬浮在其中的液体或固体微粒组成的具有高度分散特性的分散

2、体系。大气气溶胶具有十分丰富的自然源和人为源，大气气溶胶的吸收特性取决于粒子的复折射率。为了能够精确测量大气气溶胶粒子的光吸收系数，当前已研究出了多种测量方法，主要分为滤膜采样技术和在线原位测量技术两大类。由于大气气溶胶粒子对光的吸收系数较小，并且气溶胶粒子光吸收过程常常会伴随着光散射过程，因此尚未形成权威的气溶胶吸收特性测量方法。1光热干涉技术测量原理光热干涉技术是基于光热效应的一种吸收测量技术。该技术可以精确地测量气溶胶样品的吸收系数，其在液相、气相和固相的物理和化学性质研究中均有一定的应用。光热干涉技术的原理如图1所示，当周期性调制的激励光照射气溶胶粒子时，粒子将吸收入射光能量对自身进行

3、加热，当达到热平衡后将以热传导的方式加热周围空气导致热膨胀，对于气溶胶粒子群，将形成一个以激励激光中心温度最高、外围温度递减的圆柱形光热作用区域，周期性热膨胀将产生相应的周期性的折射率起伏，干涉仪探测光穿过这一区域后，干涉信号中将包含光热诱导折射率起伏信息，解调后即可实现对气溶胶粒子吸收系数的量化测量。2光热干涉测量系统基于相位生成载波调制解调算法的光纤式光热干涉测量系统的结构如图2所示，主要可以分为三部分：（1）光源调制部分。该系统中存在两个调制光源，分别是作为激励激光的调制光源和作为干涉光源的内调制光源，调制光源接受的是方波调制，产生周期性变化的光强调制，内调制光源接受正弦调制，产生周期性

4、的频率调制；（2）光热信号检测部分。该部分的核心器件是高精度的光纤干涉仪，干涉仪和激励光在光热干涉腔内以掠射式方式耦合，形成含有待测吸收特性的干涉信號；（3）信号采集和处理部分。该部分主要包括数据的采集、处理、实时显示和结果保存等功能，光电探测器将干涉光强信号转换模拟电信号，并经模拟/数字转换器转化数字信号，经采集卡采集后输入到计算机中作相位解调处理，pgc解调算法采用相应的软件进行编写，最后解调出和吸收特性相关的相位信息。3光相位调制的干涉测量光热效应产生的光相位调制量是一个微小的量，理论推算结果表明，其相位的幅值一般处于10-110-4rad量级。但光波的振动频率通常在1014hz以上，如

5、此高的频率之下直接探测光波的相位变化量是无法实现的，目前光电探测器都只能实现对于光强度的测量，还无法实现对光相位的测量。因此，必须采取合理的方法将光相位信号转换成相应的光强信号，这种转换方法就是干涉测量法。干涉法通过引入参考光和探测光形成干涉的方式，将光相位信号转换为光强度信号，从而实现相位的比对测量。按照干涉方法构成的光学系统称为干涉仪，其输出为干涉条纹。由于光的干涉条纹和光的相位直接相关，当相位变化时干涉条纹即随之变化，因此根据探测系统探测的干涉条纹的变化情况即可解调出光相位的变化。综上所述，通常大气气溶胶的光吸收较为微弱，并且其粒径尺度、化学成分组成都和光谱的分布等有直接的关系，具有较大时间和空间变化率，因此对于大气气溶胶吸收系数的精确测量成为一个研究热点。与当前的测量技术相比，光热干涉技术可以直接测量处于自然悬浮状态的气溶胶粒子吸收特性，属于在线原位测量，能够最大程度保证结果可靠性，并且该技术的本质是测量热扩散效应，而粒子光