大氣氣溶膠吸收特性的光纖式光熱干涉測量技術研究

甘泉

大氣氣溶膠粒子的光吸收一般比較微弱，但其對地球大氣輻射收支平衡、激光大氣傳輸等均具有重要的影響。目前，大氣氣溶膠粒子吸收系數的精確測量越來越受到重視，已經成為一個研究熱點和技術難點，光熱干涉技術通過測量氣溶膠粒子光吸收熱擴散效應產生的折射率變化，能夠直接獲取自然懸浮狀態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。本文對大氣氣溶膠吸收特性的光纖式光熱干涉測量技術進行了研究。

大氣氣溶膠是指由大氣介質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折射率。為了能夠精確測量大氣氣溶膠粒子的光吸收系數，當前已研究出了多種測量方法，主要分為濾膜采樣技術和在線原位測量技術兩大類。由于大氣氣溶膠粒子對光的吸收系數較小，并且氣溶膠粒子光吸收過程常常會伴隨著光散射過程，因此尚未形成權威的氣溶膠吸收特性測量方法。

1光熱干涉技術測量原理

光熱干涉技術是基于光熱效應的一種吸收測量技術。該技術可以精確地測量氣溶膠樣品的吸收系數，其在液相、氣相和固相的物理和化學性質研究中均有一定的應用。光熱干涉技術的原理如圖1所示，當周期性調制的激勵光照射氣溶膠粒子時，粒子將吸收入射光能量對自身進行加熱，當達到熱平衡后將以熱傳導的方式加熱周圍空氣導致熱膨脹，對于氣溶膠粒子群，將形成一個以激勵激光中心溫度最高、外圍溫度遞減的圓柱形光熱作用區域，周期性熱膨脹將產生相應的周期性的折射率起伏，干涉儀探測光穿過這一區域后，干涉信號中將包含光熱誘導折射率起伏信息，解調后即可實現對氣溶膠粒子吸收系數的量化測量。

2光熱干涉測量系統

基于相位生成載波調制解調算法的光纖式光熱干涉測量系統的結構如圖2所示，主要可以分為三部分：（1）光源調制部分。該系統中存在兩個調制光源，分別是作為激勵激光的調制光源和作為干涉光源的內調制光源，調制光源接受的是方波調制，產生周期性變化的光強調制，內調制光源接受正弦調制，產生周期性的頻率調制；（2）光熱信號檢測部分。該部分的核心器件是高精度的光纖干涉儀，干涉儀和激勵光在光熱干涉腔內以掠射式方式耦合，形成含有待測吸收特性的干涉信號；（3）信號采集和處理部分。該部分主要包括數據的采集、處理、實時顯示和結果保存等功能，光電探測器將干涉光強信號轉換模擬電信號，并經模擬/數字轉換器轉化數字信號，經采集卡采集后輸入到計算機中作相位解調處理，PGC解調算法采用相應的軟件進行編寫，最后解調出和吸收特性相關的相位信息。

3光相位調制的干涉測量

光熱效應產生的光相位調制量是一個微小的量，理論推算結果表明，其相位的幅值一般處于10-1～10-4rad量級。但光波的振動頻率通常在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現的，目前光電探測器都只能實現對于光強度的測量，還無法實現對光相位的測量。因此，必須采取合理的方法將光相位信號轉換成相應的光強信號，這種轉換方法就是干涉測量法。干涉法通過引入參考光和探測光形成干涉的方式，將光相位信號轉換為光強度信號，從而實現相位的比對測量。按照干涉方法構成的光學系統稱為干涉儀，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，當相位變化時干涉條紋即隨之變化，因此根據探測系統探測的干涉條紋的變化情況即可解調出光相位的變化。

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、化學成分組成都和光譜的分布等有直接的關系，具有較大時間和空間變化率，因此對于大氣氣溶膠吸收系數的精確測量成為一個研究熱點。與當前的測量技術相比，光熱干涉技術可以直接測量處于自然懸浮狀態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果可靠性，并且該技術的本質是測量熱擴散效應，而粒子光散射不會引發熱效應，因此能有效消除粒子光散射影響。該技術以光波長作為度量手段，具有極高的探測靈敏度，是準確測量大氣氣溶膠粒子光吸收系數的重要手段。