空芯光波导的吸附效应对光谱法气体浓度测量的影响

Hollow waveguide(HWG) can be used as a gas cell for spectral measurement system to achieve environmental monitoring, breath analysis and other applications, due to its small size, the optical path stability and other advantages. HWG based spectral measurements and applications have become a hot research field in recent years. However, gas adsorption on the inner wall surface of the HWG will affect the accuracy of the spectral measurement. This application will study on this problem for the first time to our knowledge, in order to achieve precision spectroscopy under the adsorption conditions. The main contents are as follows: (1) to study the physical mechanism of temperature, concentration, pressure, flow rate, etc. affecting on gas adsorption of the micro-scale tube during the process gas flow, and to establish the adsorption kinetics model of HWG; (2) to establish the light transmission model in HWG and to make clear how many adsorption molecules contribute to the spectral measurements; (3) to establish the spectral measurement model under adsorption effect of HWG, to quantitative evaluate of the impact of the HWG adsorption effect on the spectroscopy for gas concentration measurements, and to lay a foundation for the practical applications of trace gas detection using HWG.

空芯光波导由于体积小、光路稳定等优势，可作为气体池用于光谱测量系统中，实现大气环境监测、呼吸气体诊断等应用。近年来，基于空芯光波导的光谱测量方法和应用成为研究的热点。然而，空芯光波导内壁表面对气体的吸附性会影响光谱测量的准确性。本申请将首次针对这一问题展开研究，旨在实现吸附条件下的精密光谱测量。主要研究内容包括：（1）研究气体流动过程中，温度、浓度、压力、流速等对微尺度圆管内壁表面气体物理吸附的影响机理，建立空芯光波导吸附的动力学模型；（2）建立光在空芯光波导中的传输模型，明确吸附的分子中有多少对光谱测量有贡献；（3）建立空芯光波导吸附效应下的光谱测量模型，定量评价由于空芯光波导的吸附效应对光谱法气体浓度测量的影响，为使用空芯光波导进行痕量气体测量的实际应用奠定基础。

近年来空芯光波导（HWG）作为一种新型的气体池广泛应用于光谱测量领域。本项目研究HWG的吸附效应及其对光谱测量影响，主要研究内容和结果总结如下：.（1）吸附定量及动力学研究。标况下氨气分子在镀银/碘化银型空心光波导（Ag/AgI-HWG）内壁表面吸附密度为2.6×1015 molecules/cm2，对应F值为5.89。吸附量随压强的增大而增大，随温度的升高而减小，符合勒夏特列原理。对于氨气分子在HWG内壁表面的第一层吸附和第二层吸附，其微分吸附热分别为7.6 和 6.1 kJ/mol，基于此建立的BET模型与实验结果非常吻合。另外，吸附动力学过程与准一级动力学模型和准二级动力学模型都非常吻合。该研究填补了对Ag/AgI-HWG吸附研究的空白，对于气体浓度精确测量或实时修正有重要意义。此外，通过将参比池与空芯光波导内的氨气吸收谱线进行对比，发现吸附过程中吸收谱线红移且脱附时恢复的现象，偏移量为10-2~10-3cm-1。这对于深入研究氨气分子在Ag/AgI界面的吸附机理有重要的参考意义。.（2）Ag/AgI-HWG激光传输特性及有效光程的研究。建立Ag/AgI-HWG激光传输特性的新表述。通过提出的多点分析方法，得到HWG在一定长度范围内衰减系数与长度成反比，建立了任意长度HWG对传输激光衰减量的计算公式。相比器件手册中平均化的衰减系数，衰减量误差降低了73.6%。由于激光入射角度和倏逝波的影响，HWG的有效光程并不是某一特定值，而是以某一峰值为中心呈现高斯分布。HWG有效光程峰位置小于其物理长度，并且随着弯曲半径的增大而增大。该研究用于推算激光分别与HWG内自由态分子和吸附态分子的作用路程，将吸附定量分析与本研究相结合推算吸附态的分子对吸收光谱的贡献可等效为亚ppm量级自由态分子。.（3）中红外激光光源+Ag/AgI-HWG的痕量气体检测传感器研究。提出了DFB-ICL/QCL+Ag/AgI-HWG的新型的通用的传感器结构，可在中红外波段用于痕量气体快速高灵敏检测。基于此结构，研制了甲硫醚和乙烯气体传感器。整个传感器重约5kg，功耗约50W。传感器响应时间小于30s情况下实现ppb级别的痕量气体检测。可应用于环境监测、工业过程控制、国家安全和生物医学等领域。