[實(shí)用新型]光腔衰蕩氣溶膠消光儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320565501.5
• 申請日: 2013-09-12
• 公開（公告）號: CN203465189U
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李凌;陳建民;顏鵬;陳暉
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 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(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及大氣氣溶膠消光系數(shù)的測量領(lǐng)域，更具體的涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀。

背景技術(shù)

大氣氣溶膠指在空氣中懸浮的顆粒物或液滴，會對光產(chǎn)生散射和吸收，兩者綜合作用下，使光在通過大氣時(shí)發(fā)生衰減現(xiàn)象。這種大氣氣溶膠對光的衰減作用可以由其消光系數(shù)準(zhǔn)確表述。從國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)來看，為了測量大氣氣溶膠的消光系數(shù)，通常采用分別測量氣溶膠的散光系數(shù)和吸收系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)的加和就是氣溶膠的消光系數(shù)。目前，散射系數(shù)的測量已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確快速的測量，實(shí)驗(yàn)誤差可以達(dá)到10^-1Mm^-1,但是吸收系數(shù)的測量還沒有達(dá)到這樣的精度。吸收的測量通常采用濾膜采樣吸收技術(shù)和光聲光電光譜技術(shù)，這兩種技術(shù)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(zhì)，具有誤差大，檢測限高，時(shí)間分辨率低等缺點(diǎn)。

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(shí)間內(nèi)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(yīng)，得到大氣氣溶膠的吸收系數(shù)。大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)與其形態(tài)有緊密聯(lián)系，濾膜技術(shù)很難評估堆積在濾膜表面相較于懸浮在空氣中的形態(tài)對吸收系數(shù)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(jié)構(gòu)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)不確定度。同時(shí)，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(zhǔn)確性達(dá)到30%，無法滿足對實(shí)際大氣氣溶膠消光系數(shù)準(zhǔn)確、快速變化的測量。

為了避免引入濾膜對氣溶膠消光系數(shù)測量的影響，上世紀(jì)80年代光聲光電光譜儀被發(fā)明用以實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)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(zhì)按光的頻率產(chǎn)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(qiáng)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(dǎo)致的熱能釋放，可能使氣溶膠所含的硝酸銨等易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)到氣體介質(zhì)中，或者改變濕度條件進(jìn)而使氣溶膠含水量和粒徑發(fā)生變化，最終影響對消光系數(shù)的測量，增大測量誤差。

為了更加準(zhǔn)確地測量大氣氣溶膠消光系數(shù)，光腔衰蕩光譜吸收技術(shù)被應(yīng)用到氣溶膠的光學(xué)測量領(lǐng)域。光腔衰蕩光譜吸收技術(shù)由O’?Keefe?在1988年創(chuàng)建，具有檢測限低，時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體分子吸收光譜的研究中。由于這一技術(shù)將樣品的吸收路徑增加到幾十公里，所以與其它傳統(tǒng)的吸收光譜技術(shù)相比有很高的靈敏度，其檢測限達(dá)到10^-4?Mm^-1。

光腔衰蕩光譜技術(shù)是將一束短脈沖激光被耦臺進(jìn)入到一個(gè)光學(xué)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(jìn)入光腔內(nèi)的光脈沖會在兩個(gè)反射鏡之間發(fā)生多次反射，同時(shí)通過后腔鏡后會有一小部分光強(qiáng)漏出光腔并被置于其后的光電探測器接收。當(dāng)光脈沖第n+1次到選后腔鏡時(shí)，漏出的光強(qiáng)為????????????????????????????????????????????????，則相鄰兩次經(jīng)由后腔鏡漏出的光強(qiáng)差為。上式兩邊求和得，寫為積分的形式，即。一般說來，實(shí)驗(yàn)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(shí)間，n為光脈沖在光腔中來回反射的次數(shù)。

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