大氣氣溶膠吸收特性的光纖式光熱干涉測量技術(shù)研究

甘泉

大氣氣溶膠粒子的光吸收一般比較微弱，但其對(duì)地球大氣輻射收支平衡、激光大氣傳輸?shù)染哂兄匾挠绊憽Ｄ壳?，大氣氣溶膠粒子吸收系數(shù)的精確測量越來越受到重視，已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，光熱干涉技術(shù)通過測量氣溶膠粒子光吸收熱擴(kuò)散效應(yīng)產(chǎn)生的折射率變化，能夠直接獲取自然懸浮狀態(tài)下氣溶膠粒子的吸收特性，有效避免了粒子散射光的影響，干涉測量還具有極高的探測靈敏度。本文對(duì)大氣氣溶膠吸收特性的光纖式光熱干涉測量技術(shù)進(jìn)行了研究。

大氣氣溶膠是指由大氣介質(zhì)和懸浮在其中的液體或固體微粒組成的具有高度分散特性的分散體系。大氣氣溶膠具有十分豐富的自然源和人為源，大氣氣溶膠的吸收特性取決于粒子的復(fù)折射率。為了能夠精確測量大氣氣溶膠粒子的光吸收系數(shù)，當(dāng)前已研究出了多種測量方法，主要分為濾膜采樣技術(shù)和在線原位測量技術(shù)兩大類。由于大氣氣溶膠粒子對(duì)光的吸收系數(shù)較小，并且氣溶膠粒子光吸收過程常常會(huì)伴隨著光散射過程，因此尚未形成權(quán)威的氣溶膠吸收特性測量方法。

1光熱干涉技術(shù)測量原理

光熱干涉技術(shù)是基于光熱效應(yīng)的一種吸收測量技術(shù)。該技術(shù)可以精確地測量氣溶膠樣品的吸收系數(shù)，其在液相、氣相和固相的物理和化學(xué)性質(zhì)研究中均有一定的應(yīng)用。光熱干涉技術(shù)的原理如圖1所示，當(dāng)周期性調(diào)制的激勵(lì)光照射氣溶膠粒子時(shí)，粒子將吸收入射光能量對(duì)自身進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到熱平衡后將以熱傳導(dǎo)的方式加熱周圍空氣導(dǎo)致熱膨脹，對(duì)于氣溶膠粒子群，將形成一個(gè)以激勵(lì)激光中心溫度最高、外圍溫度遞減的圓柱形光熱作用區(qū)域，周期性熱膨脹將產(chǎn)生相應(yīng)的周期性的折射率起伏，干涉儀探測光穿過這一區(qū)域后，干涉信號(hào)中將包含光熱誘導(dǎo)折射率起伏信息，解調(diào)后即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠粒子吸收系數(shù)的量化測量。

2光熱干涉測量系統(tǒng)

基于相位生成載波調(diào)制解調(diào)算法的光纖式光熱干涉測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要可以分為三部分：（1）光源調(diào)制部分。該系統(tǒng)中存在兩個(gè)調(diào)制光源，分別是作為激勵(lì)激光的調(diào)制光源和作為干涉光源的內(nèi)調(diào)制光源，調(diào)制光源接受的是方波調(diào)制，產(chǎn)生周期性變化的光強(qiáng)調(diào)制，內(nèi)調(diào)制光源接受正弦調(diào)制，產(chǎn)生周期性的頻率調(diào)制；（2）光熱信號(hào)檢測部分。該部分的核心器件是高精度的光纖干涉儀，干涉儀和激勵(lì)光在光熱干涉腔內(nèi)以掠射式方式耦合，形成含有待測吸收特性的干涉信號(hào)；（3）信號(hào)采集和處理部分。該部分主要包括數(shù)據(jù)的采集、處理、實(shí)時(shí)顯示和結(jié)果保存等功能，光電探測器將干涉光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬電信號(hào)，并經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)，經(jīng)采集卡采集后輸入到計(jì)算機(jī)中作相位解調(diào)處理，PGC解調(diào)算法采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行編寫，最后解調(diào)出和吸收特性相關(guān)的相位信息。

3光相位調(diào)制的干涉測量

光熱效應(yīng)產(chǎn)生的光相位調(diào)制量是一個(gè)微小的量，理論推算結(jié)果表明，其相位的幅值一般處于10-1～10-4rad量級(jí)。但光波的振動(dòng)頻率通常在1014Hz以上，如此高的頻率之下直接探測光波的相位變化量是無法實(shí)現(xiàn)的，目前光電探測器都只能實(shí)現(xiàn)對(duì)于光強(qiáng)度的測量，還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的測量。因此，必須采取合理的方法將光相位信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)，這種轉(zhuǎn)換方法就是干涉測量法。干涉法通過引入?yún)⒖脊夂吞綔y光形成干涉的方式，將光相位信號(hào)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相位的比對(duì)測量。按照干涉方法構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)稱為干涉儀，其輸出為干涉條紋。由于光的干涉條紋和光的相位直接相關(guān)，當(dāng)相位變化時(shí)干涉條紋即隨之變化，因此根據(jù)探測系統(tǒng)探測的干涉條紋的變化情況即可解調(diào)出光相位的變化。

綜上所述，通常大氣氣溶膠的光吸收較為微弱，并且其粒徑尺度、化學(xué)成分組成都和光譜的分布等有直接的關(guān)系，具有較大時(shí)間和空間變化率，因此對(duì)于大氣氣溶膠吸收系數(shù)的精確測量成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。與當(dāng)前的測量技術(shù)相比，光熱干涉技術(shù)可以直接測量處于自然懸浮狀態(tài)的氣溶膠粒子吸收特性，屬于在線原位測量，能夠最大程度保證結(jié)果可靠性，并且該技術(shù)的本質(zhì)是測量熱擴(kuò)散效應(yīng)，而粒子光散射不會(huì)引發(fā)熱效應(yīng)，因此能有效消除粒子光散射影響。該技術(shù)以光波長作為度量手段，具有極高的探測靈敏度，是準(zhǔn)確測量大氣氣溶膠粒子光吸收系數(shù)的重要手段。