23402.高漫反射立方腔光線傳輸規(guī)律的研究

1、國內(nèi)圖書分類號：O433.4學校代碼：10213國際圖書分類號：530密級：公開理學博士學位論文理學博士學位論文高漫反射立方腔光線傳輸規(guī)律的研究博士研究生：虞佳導師：張治國教授申請學位：理學博士學科：光學所在單位：理學院答辯日期：2014年12月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要對氣體濃度的靈敏探測在環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)、食品安全和醫(yī)療等領域都有重要的意義。在各種氣體檢測方法中，光譜學方法以其對氣體的高選擇性、抗干擾、高靈敏，非接觸性

2、以及可實時在線監(jiān)控等優(yōu)點而成為主流的檢測手段。在吸收光譜方法中，可以通過在有限的體積內(nèi)增加氣體吸收光程，同時達到檢測裝置小型化和提高氣體探測的靈敏度的目的，這也是最直接有效的方法。本論文采用自主研發(fā)的高漫反射立方腔作為氣體吸收池，克服了多通池和腔增強等方法干涉條紋的影響，以及多孔散射方法噪聲大，系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性低的缺點。根據(jù)需求可以設計不同形狀和規(guī)格的腔體，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且更有利于光學檢測系統(tǒng)的緊湊性。本文基于可調(diào)諧

3、二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS），以氧氣為待測氣體，研究了高漫反射立方腔和串聯(lián)方腔的光程延長規(guī)律，并開展了利用立方腔測量材料絕對漫反射率方法的研究。首先，開展了高漫反射立方腔作為氣體吸收池的基礎研究。設計并制作了多種尺寸的高漫反射立方腔，內(nèi)表面涂層采用防水的高漫反射（反射率98%）涂料。根據(jù)光線在漫反射腔中的輻射傳輸規(guī)律，給出了立方腔有效光程隨漫反射率?、開孔比f和單次反射平均路徑aveL的理論公式。實驗基于TDLAS技術(shù)，通過測量

4、空氣中濃度為21%的氧氣在763nm處不同光程下的吸收信號，給出了高漫反射立方腔有效光程的定標方法。其次，開展了高漫反射立方腔光程延長規(guī)律的研究。通過不同探測位置和入射光位置的連續(xù)測量實驗，證明了立方腔內(nèi)的光場是均勻穩(wěn)定的。通過研究立方腔有效光程隨開孔比的變化，以理論公式為基礎，給出了確定立方腔三個參量?、f和aveL的實驗方法。通過分析出射和入射附加光程條件，指出需要在立方腔有效光程公式中增加一項附加光程修正項0l。通過分析15cm邊

5、長，內(nèi)表面漫反射率不同的5種立方腔在不同的修正參數(shù)0l下擬合得到的漫反射率以及aveL隨漫反射率的變化規(guī)律，給出了確定附加光程修正的實驗方法。在傳統(tǒng)漫反射腔時間響應函數(shù)的基礎上，給出了在考慮激光入射條件以及開孔比的情況下，修正后的立方腔的時間響應關系。再次，開展了一種新的測量材料漫反射率的方法研究。當待測材料為液體時可以將其噴涂與立方腔內(nèi)表面，當待測材料為固體時，可以直接將其制作成立方腔。首先測量有效光程隨開孔比的變化，根據(jù)公式擬合得到