基于光腔衰荡光谱技术的痕量甲烷检测

宋绍漫， 颜昌翔

1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033 2. 中国科学院大学, 北京 100049 3. 中国科学院大学材料与光电研究中心， 北京 100049

引 言

光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectrometer， CRDS)技术利用腔内光的衰减信息来确定目标样品信息， 具有灵敏度高、 不受激光强度起伏的影响、 激光与介质相互作用的路径长(可达～103m量级)、 免标定、 超高分辨率、 轻便、 实时在线和方便操作等优点， 被用于多种大气成分及同位素观测研究[1-3]。

甲烷(CH4)吸收红外线的能力较强， 其吸收截面比CO2高出23倍， 占据整个温室气体贡献量的15%， 是大气中浓度仅次于CO2的温室气[4]。 对甲烷气体进行检测和预警是国内外研究机构的重要课题： 有研究对空气中的CO2和CO含量进行了测量； 2015年， 李志新[5]对C2H2气体的吸收谱线进行了测量。 但对于基于CRDS技术的甲烷浓度检测， 国内的研究尚显不足， 更没有成熟的系列产品， 并且国内大多用直型腔或折叠腔做衰荡腔[1]， 围绕三角环形衰荡腔展开的CRDS技术的实验研究还鲜有报道。

与直腔相比， 环形腔中转折镜的加入方便了电压陶瓷(pizeoe lectric transelucer, PZT)的安装并且有效防止了光束被直接反射回激光器， 避免了模式拍频效应[6]、 多重衰荡和标准具效应， 提高了衰荡时间的准确性。 虽然增加了调腔难度、 系统成本和对加工精度的要求， 并且减小了腔透射光功率和腔镜有效反射率， 但具有更高的检测灵敏度。

为了精确检测痕量甲烷浓度， 并开展基于三角环形腔的连续波光腔衰荡光谱(continuous wave-cavity ring-down spectrometer, CW-CRDS)装置的研发， 建立了气体浓度测量数学模型， 并根据模型完成了系统的搭建与调试。……