[实用新型]光腔衰荡气溶胶消光仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪。

背景技术

大气气溶胶指在空气中悬浮的颗粒物或液滴，会对光产生散射和吸收，两者综合作用下，使光在通过大气时发生衰减现象。这种大气气溶胶对光的衰减作用可以由其消光系数准确表述。从国内外现有技术来看，为了测量大气气溶胶的消光系数，通常采用分别测量气溶胶的散光系数和吸收系数，这两个系数的加和就是气溶胶的消光系数。目前，散射系数的测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到10^-1Mm^-1,但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。吸收的测量通常采用滤膜采样吸收技术和光声光电光谱技术，这两种技术由于器件灵敏度限制，或在测量过程中可能改变气溶胶本身性质，具有误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点。

滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测量一定流量情况下单位时间内截留在滤膜表面的气溶胶对特定波长光的吸收，扣除滤膜本身的散光效应，得到大气气溶胶的吸收系数。大气气溶胶的光学性质与其形态有紧密联系，滤膜技术很难评估堆积在滤膜表面相较于悬浮在空气中的形态对吸收系数的影响是增加还是减少。另外，在测量过程中引入了滤膜，由于其特殊的纤维结构导致的截面敏感性问题，不同滤膜的空白值一致性较差，造成较大的实验不确定度。同时，滤膜采样吸收仪的光源并非采用单色光源，在筛选各特定波长光的过程中波长（或频率）分布较宽，也会引起测量误差，测量的不准确性达到30%，无法满足对实际大气气溶胶消光系数准确、快速变化的测量。

为了避免引入滤膜对气溶胶消光系数测量的影响，上世纪80年代光声光电光谱仪被发明用以实现气溶胶光学性质的原位测量。气溶胶吸收特定波长光后会以释放热能的方式退激，释放的热能使气溶胶的周围气体介质按光的频率产生周期性压力波动，由高灵敏微音器检测放大后得到光声信号,光声信号的强度即气溶胶对特定波长光的吸收。由于光声光电光谱仪对特定波长光吸收所导致的热能释放，可能使气溶胶所含的硝酸铵等易挥发物质挥发到气体介质中，或者改变湿度条件进而使气溶胶含水量和粒径发生变化，最终影响对消光系数的测量，增大测量误差。

为了更加准确地测量大气气溶胶消光系数，光腔衰荡光谱吸收技术被应用到气溶胶的光学测量领域。光腔衰荡光谱吸收技术由O’ Keefe 在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体分子吸收光谱的研究中。由于这一技术将样品的吸收路径增加到几十公里，所以与其它传统的吸收光谱技术相比有很高的灵敏度，其检测限达到10^-4 Mm^-1。

光腔衰荡光谱技术是将一束短脉冲激光被耦台进入到一个光学谐振腔中，谐振腔由一对平行相对、曲率半径为r, 反射率为R的反射镜组成。耦合进入光腔内的光脉冲会在两个反射镜之间发生多次反射，同时通过后腔镜后会有一小部分光强漏出光腔并被置于其后的光电探测器接收。当光脉冲第n+1次到选后腔镜时，漏出的光强为                                                ，则相邻两次经由后腔镜漏出的光强差为。上式两边求和得，写为积分的形式，即。一般说来，实验所用的两片腔镜的反射率都很高R = R₁ ≈ R₂ ≈ 1，将式代入上式得，可以近似为。以上各式中，L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间，n为光脉冲在光腔中来回反射的次数。

当腔体中有气体存在时，上式为,其中，。可以看出τ₀由光腔本身的参数(腔长，腔镜平均反射率) 和气体的消光系数（α_g，ext.）决定，它通常被称为光腔的衰荡时间。当光腔内存在气溶胶时，上式变为。其中，α_s, ext是气溶胶的消光系数，l是样品的吸收光程长度，α_g, ext是光腔内总的气体消光系数。所以，。由此可知，如果测出有气溶胶和无气溶胶两者衰荡时间的倒数差，就可以确定其消光系数：。