基于近共心腔的氣體拉曼光譜增強(qiáng)方法研究.pdf

1、在油氣勘探中，氣測錄井是很重要的一個環(huán)節(jié)，氣測錄井的速度和精度，直接影響到對油氣礦藏位置勘探的準(zhǔn)確性，因此發(fā)展一種快速、高精度的氣體探測方法，是提高氣測錄井速度和精度的關(guān)鍵。目前普遍應(yīng)用的方法是氣相色譜法，但是氣相色譜法探測周期長，裝置復(fù)雜，導(dǎo)致對油層位置探測精確度不高。激光光譜方法是一種快速成分識別的方法，拉曼光譜和紅外吸收光譜探測周期為幾十秒，且現(xiàn)場探測的氣體（烷烴氣體、二氧化碳、氫氣等）都有相應(yīng)的光譜，但是與氣相色譜相比，拉曼光譜

2、技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場氣體探測仍面臨一些挑戰(zhàn)，最主要的是拉曼光譜探測靈敏度較低。本論文主要解決的問題就是如何提高拉曼光譜氣體探測的靈敏度。本文針對于提高拉曼光譜氣體探測靈敏度發(fā)展了一套基于近共心腔的拉曼光譜強(qiáng)度增強(qiáng)的方法，主要完成了以下工作：
　?、倌M近共心腔對拉曼散射強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。首先對拉曼散射強(qiáng)度與散射角度之間關(guān)系進(jìn)行分析，研究表明，拉曼散射方向與激光入射方向夾角越小散射強(qiáng)度越大，即在前向和后向散射強(qiáng)度最大，約是側(cè)向散射強(qiáng)度的2倍

3、，側(cè)向散射強(qiáng)度最弱。但是一般情況下需要根據(jù)二階極化率對散射強(qiáng)度進(jìn)行修正。在此基礎(chǔ)上對近共心腔的信號增強(qiáng)效果進(jìn)行理論分析。采用近共心腔的目的就是使激光多次在腔內(nèi)反射，在腔中心附近聚焦，通過增強(qiáng)激發(fā)光強(qiáng)度來提高拉曼散射強(qiáng)度。并對近共心腔的三種反射模式（共心腔模式、近共心腔直線型和近共心腔橢圓型）增強(qiáng)效果進(jìn)行對比，理論上近共心腔直線型增強(qiáng)效果最好。
　　②搭建一套基于近共心腔氣體拉曼光譜系統(tǒng)。對實(shí)驗(yàn)中的可變參數(shù)（信號收集角度、透鏡焦距等

4、）進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)證明：收集角度與激光光束夾角越小，收集到拉曼散射信號強(qiáng)度越大；在一定范圍內(nèi)增大收集透鏡焦距，收集到拉曼信號強(qiáng)度也隨之增大。在此基礎(chǔ)上對三種多次反射模式的增強(qiáng)效果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析結(jié)論，近共心腔直線型的增強(qiáng)效果最好，其拉曼光譜強(qiáng)度增強(qiáng)70倍左右。
　　③對基于近共心腔的氣體拉曼光譜增強(qiáng)方法評估。搭建了一套基于后向收集拉曼光譜氣體探測系統(tǒng)，在所有條件（CCD積分時間、單色儀狹縫寬度、收集透鏡焦距、激光器能量

5、等）相同的情況下，其所收集到的拉曼信號與近共心腔增強(qiáng)裝置收集到的拉曼信號進(jìn)行對比，以此評估近共心腔裝置的增強(qiáng)效果。以空氣中氧氣和氮?dú)鉃樘綔y物，分別對兩系統(tǒng)所采集光譜的信號強(qiáng)度、信背比和信噪比進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩系統(tǒng)采集拉曼信號相比，近共心腔系統(tǒng)要在信號強(qiáng)度上增強(qiáng)5倍左右，噪聲強(qiáng)度減小一半，因此近共心腔系統(tǒng)的探測限提高約10倍左右。
　　最后，在總結(jié)了上述工作的基礎(chǔ)上，對工作中存在的缺憾和不足進(jìn)行分析，并對今后工作進(jìn)行了展望，總