[發明專利]光腔衰蕩氣溶膠消光儀

在審

• 申請號: 201310414266.6
• 申請日: 2013-09-12
• 公開（公告）號: CN103616334A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 李凌;陳建民;顏鵬;陳暉
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明涉及大氣氣溶膠消光系數的測量領域，更具體的涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀。

背景技術

大氣氣溶膠指在空氣中懸浮的顆粒物或液滴，會對光產生散射和吸收，兩者綜合作用下，使光在通過大氣時發生衰減現象。這種大氣氣溶膠對光的衰減作用可以由其消光系數準確表述。從國內外現有技術來看，為了測量大氣氣溶膠的消光系數，通常采用分別測量氣溶膠的散光系數和吸收系數，這兩個系數的加和就是氣溶膠的消光系數。目前，散射系數的測量已經比較成熟，能夠實現準確快速的測量，實驗誤差可以達到10^-1Mm^-1,但是吸收系數的測量還沒有達到這樣的精度。吸收的測量通常采用濾膜采樣吸收技術和光聲光電光譜技術，這兩種技術由于器件靈敏度限制，或在測量過程中可能改變氣溶膠本身性質，具有誤差大，檢測限高，時間分辨率低等缺點。

濾膜采樣吸收儀通過將大氣氣溶膠截留在濾膜表面，測量一定流量情況下單位時間內截留在濾膜表面的氣溶膠對特定波長光的吸收，扣除濾膜本身的散光效應，得到大氣氣溶膠的吸收系數。大氣氣溶膠的光學性質與其形態有緊密聯系，濾膜技術很難評估堆積在濾膜表面相較于懸浮在空氣中的形態對吸收系數的影響是增加還是減少。另外，在測量過程中引入了濾膜，由于其特殊的纖維結構導致的截面敏感性問題，不同濾膜的空白值一致性較差，造成較大的實驗不確定度。同時，濾膜采樣吸收儀的光源并非采用單色光源，在篩選各特定波長光的過程中波長（或頻率）分布較寬，也會引起測量誤差，測量的不準確性達到30%，無法滿足對實際大氣氣溶膠消光系數準確、快速變化的測量。

為了避免引入濾膜對氣溶膠消光系數測量的影響，上世紀80年代光聲光電光譜儀被發明用以實現氣溶膠光學性質的原位測量。氣溶膠吸收特定波長光后會以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使氣溶膠的周圍氣體介質按光的頻率產生周期性壓力波動，由高靈敏微音器檢測放大后得到光聲信號,光聲信號的強度即氣溶膠對特定波長光的吸收。由于光聲光電光譜儀對特定波長光吸收所導致的熱能釋放，可能使氣溶膠所含的硝酸銨等易揮發物質揮發到氣體介質中，或者改變濕度條件進而使氣溶膠含水量和粒徑發生變化，最終影響對消光系數的測量，增大測量誤差。

為了更加準確地測量大氣氣溶膠消光系數，光腔衰蕩光譜吸收技術被應用到氣溶膠的光學測量領域。光腔衰蕩光譜吸收技術由O’?Keefe?在1988年創建，具有檢測限低，時間分辨率高等優點，廣泛應用于氣體分子吸收光譜的研究中。由于這一技術將樣品的吸收路徑增加到幾十公里，所以與其它傳統的吸收光譜技術相比有很高的靈敏度，其檢測限達到10^-4?Mm^-1。

光腔衰蕩光譜技術是將一束短脈沖激光被耦臺進入到一個光學諧振腔中，諧振腔由一對平行相對、曲率半徑為r,?反射率為R的反射鏡組成。耦合進入光腔內的光脈沖會在兩個反射鏡之間發生多次反射，同時通過后腔鏡后會有一小部分光強漏出光腔并被置于其后的光電探測器接收。當光脈沖第n+1次到選后腔鏡時，漏出的光強為????????????????????????????????????????????????，則相鄰兩次經由后腔鏡漏出的光強差為。上式兩邊求和得，寫為積分的形式，即。一般說來，實驗所用的兩片腔鏡的反射率都很高R?=?R₁?≈?R₂?≈?1，將式代入上式得，可以近似為。以上各式中，L為光腔長度，c為光速，t為激光脈沖在腔體里的時間，n為光脈沖在光腔中來回反射的次數。

當腔體中有氣體存在時，上式為,其中，。可以看出τ₀由光腔本身的參數(腔長，腔鏡平均反射率)?和氣體的消光系數（α_g，ext.）決定，它通常被稱為光腔的衰蕩時間。當光腔內存在氣溶膠時，上式變為。其中，α_s,?ext是氣溶膠的消光系數，l是樣品的吸收光程長度，α_g,?ext是光腔內總的氣體消光系數。所以，。由此可知，如果測出有氣溶膠和無氣溶膠兩者衰蕩時間的倒數差，就可以確定其消光系數：。