基于TDLAS技術(shù)的水汽低溫吸收光譜參數(shù)測(cè)量?

聶偉闞瑞峰 許振宇 姚路 夏暉暉彭于權(quán)張步強(qiáng)何亞柏

1)(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

基于TDLAS技術(shù)的水汽低溫吸收光譜參數(shù)測(cè)量?

聶偉1)2)闞瑞峰1)?許振宇1)?姚路1)夏暉暉1)彭于權(quán)1)2)張步強(qiáng)1)2)何亞柏1)

1)(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

可調(diào)諧二極管激光器,吸收光譜,水汽,線(xiàn)強(qiáng),自展寬系數(shù)

精確的氣體光譜參數(shù)對(duì)氣體濃度、溫度等的光譜精確反演測(cè)量具有十分重要的意義,針對(duì)當(dāng)前主流光譜數(shù)據(jù)庫(kù)(例如HITRAN)中數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值存在相當(dāng)誤差的問(wèn)題,自主研制了一套基于靜態(tài)冷卻技術(shù)的低溫光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用于精確測(cè)量低溫下的氣體吸收光譜參數(shù).運(yùn)用該低溫光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)測(cè)量了溫度為230—340 K、壓強(qiáng)為10—1000 Pa時(shí)7240—7246 cm?1波段的純水汽振轉(zhuǎn)躍遷光譜.采用Voigt線(xiàn)型多峰擬合方法,獲得了5條水汽振轉(zhuǎn)躍遷譜在不同溫度、不同壓強(qiáng)下的積分吸光度值及洛倫茲展寬值,運(yùn)用線(xiàn)性擬合的方法得到這5條吸收線(xiàn)的自展寬半峰全寬系數(shù)及參考溫度下的線(xiàn)強(qiáng)值.運(yùn)用不確定度傳遞公式,計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度,與HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)中的線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,所測(cè)的5條吸收線(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)值最大相差10.96%,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度為1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)值的不確定度.

1 引 言

水汽是大氣中最重要的溫室氣體[1],也是大氣中水滴、冰晶、云和降雨形成及全球水循環(huán)過(guò)程中的重要因素[2,3].水汽還在很多工業(yè)應(yīng)用(例如燃燒過(guò)程)中扮演重要角色[4?6].對(duì)水汽分子低溫光譜參數(shù)(線(xiàn)強(qiáng)、展寬系數(shù)等)的精確測(cè)量,有利于低溫環(huán)境流場(chǎng)中溫度、水汽濃度等參數(shù)的精確光譜探測(cè).例如在機(jī)載水汽測(cè)量、外星球大氣中水汽探測(cè)以及高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)光譜測(cè)量等領(lǐng)域通常都需要運(yùn)用水汽分子吸收光譜參數(shù)來(lái)標(biāo)定所測(cè)量的物理量[6?10].由于分子的吸收光譜線(xiàn)強(qiáng)和線(xiàn)寬等參數(shù)會(huì)隨環(huán)境溫度和壓強(qiáng)等因素的變化而變化,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室利用自主研制的低溫吸收池來(lái)模擬低溫低壓環(huán)境，對(duì)不同大氣分子吸收光譜進(jìn)行精確測(cè)量進(jìn)而獲取線(xiàn)參數(shù).

HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)包含47種氣體分子及其同位素的超過(guò)74億條吸收線(xiàn)參數(shù)[11],它在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是非常重要的光譜數(shù)據(jù)源.然而,由于HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于根據(jù)不同模型進(jìn)行理論計(jì)算的結(jié)果,其中必然會(huì)存在較大誤差,所以國(guó)內(nèi)外關(guān)于水汽光譜線(xiàn)參數(shù)的測(cè)量研究較多.目前用于測(cè)量分子光譜參數(shù)的技術(shù)(可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)、傅里葉變換光譜(FTS)技術(shù)、腔衰蕩光譜(CRDS)技術(shù)、腔增強(qiáng)吸收光譜(CEAS)技術(shù)、激光腔內(nèi)吸收光譜(ICLAS)技術(shù)、光聲光譜(PSA)技術(shù)等)中,TDLAS技術(shù)具有光譜分辨率較高、裝置簡(jiǎn)單、便于操作、數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),比較適用于各種波段較強(qiáng)吸收線(xiàn)的線(xiàn)參數(shù)測(cè)量[12],近年來(lái)有大量運(yùn)用TDLAS技術(shù)測(cè)量水汽光譜參數(shù)的報(bào)道.Goldenstein等[13]運(yùn)用TDLAS技術(shù),測(cè)量了水汽在2474和2482 nm附近的高溫吸收光譜線(xiàn)強(qiáng)及溫度依賴(lài)系數(shù),并分別獲得了H2O與CO2和N2混合時(shí)高溫下的碰撞展寬和狄拉克變窄系數(shù).Pogány等[14]采用TDLAS技術(shù),利用分布反饋式(DFB)激光器和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)測(cè)量了常溫下1.4—2.7μm波段內(nèi)的9條水汽吸收線(xiàn)的線(xiàn)強(qiáng),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的不確度分析.Ngo等[15]利用TDLAS技術(shù),測(cè)量了室溫、不同壓強(qiáng)下水汽在11980—12260 cm?1波段內(nèi)的13條躍遷吸收線(xiàn)的線(xiàn)強(qiáng)、自展寬系數(shù)和空氣展寬系數(shù),并與HITRAN2008數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫(kù)中線(xiàn)強(qiáng)值比實(shí)驗(yàn)值大9.4%.Liu等[16]采用TDLAS技術(shù)測(cè)量了高溫環(huán)境下1388和1345 nm附近水汽吸收線(xiàn)的線(xiàn)強(qiáng)、壓力展寬系數(shù)以及壓力頻移系數(shù),并用于高壓吸收光譜的模擬.Ptashnik等[17]采用TDLAS技術(shù),測(cè)量了5000—5600 cm?1波段內(nèi)460條水汽吸收線(xiàn)的線(xiàn)強(qiáng)和自展寬系數(shù),并與HITRAN2001數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)自展寬系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與數(shù)據(jù)庫(kù)相差20%,線(xiàn)強(qiáng)相差5%.雖然已有的水汽光譜參數(shù)測(cè)量研究很多,但報(bào)道低溫下7240—7246 cm?1波段內(nèi)水汽光譜參數(shù)測(cè)量的研究較少,而7240—7246 cm?1波段內(nèi)的水汽吸收線(xiàn)比較適合水汽的測(cè)量[18].

為了測(cè)量低溫下的氣體分子吸收光譜,我們研制了一套可連續(xù)控溫的低溫吸收池,采用靜態(tài)冷卻技術(shù),溫度可調(diào)節(jié)范圍為100—350 K,控溫精度小于±0.2 K,吸收池內(nèi)溫度梯度小于±0.2 K/cm,吸收池長(zhǎng)度為100 cm,通光孔徑為73 mm,光譜分辨率為0.001 cm?1.運(yùn)用該吸收池,采用TDLAS技術(shù)測(cè)量波長(zhǎng)為7240—7246 cm?1、溫度為230—340 K、壓強(qiáng)為10—1000 Pa時(shí)的水汽光譜,計(jì)算得到了光譜在參考溫度296 K下的線(xiàn)強(qiáng)值、自展寬系數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度.

2 吸收光譜線(xiàn)參數(shù)測(cè)量原理

根據(jù)朗伯-比爾吸收定律,對(duì)于某一單一躍遷,線(xiàn)強(qiáng)滿(mǎn)足如下關(guān)系:

式中Si(T)為吸收線(xiàn)i在溫度T(單位為K)下的線(xiàn)強(qiáng)(單位為cm?2·atm?1,1 atm=1.013×105Pa),L為有效吸收光程(單位為cm),P為石英氣體池內(nèi)氣體總壓(單位是atm),Xabs為目標(biāo)氣體的體積分?jǐn)?shù).對(duì)于低溫低壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境,選擇采用Voigt線(xiàn)型擬合方法獲得各個(gè)吸收峰的積分吸光度值A(chǔ),根據(jù)(1)式即可計(jì)算得到該吸收線(xiàn)在相應(yīng)壓強(qiáng)下的線(xiàn)強(qiáng)值,再對(duì)不同壓強(qiáng)下的線(xiàn)強(qiáng)值進(jìn)行線(xiàn)性擬合,即可得到相應(yīng)溫度下的線(xiàn)強(qiáng)值.

若采用T=296 K溫度下的線(xiàn)強(qiáng)作為參考,溫度T下的線(xiàn)強(qiáng)可表示為

式中h為普朗克常數(shù)(單位為J·s),kB為玻爾茲曼常數(shù)(單位為J/K),c為真空光速(單位為cm/s),ν0為吸收線(xiàn)的中心頻率(單位為cm?1),S(T0)為參考溫度(T0=296 K)下的線(xiàn)強(qiáng)(單位為cm?2/atm),Q(T0)和Q(T)分別為參考溫度和實(shí)驗(yàn)溫度下的配分函數(shù)值,E′′為吸收線(xiàn)的低態(tài)能級(jí)值.

對(duì)于某一確定的吸收線(xiàn),其中心頻率值、不同溫度下的配分函數(shù)值以及低態(tài)能級(jí)值均可參考HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)中值.所以,(2)式可寫(xiě)為

式中Kt(T)為溫度T相關(guān)的系數(shù).獲取不同溫度下的線(xiàn)強(qiáng)值,進(jìn)行線(xiàn)性擬合即可得到參考溫度T0=296 K時(shí)的線(xiàn)強(qiáng)值.

氣體分子之間碰撞引起吸收線(xiàn)型加寬,即洛倫茲展寬(也稱(chēng)為壓力展寬),其半峰全寬表示為

式中Xj為氣體組分j的體積分?jǐn)?shù),XH2O為水汽的體積分?jǐn)?shù),2γi?j(T)為溫度T下氣體組分i和j之間的碰撞加寬半峰全寬系數(shù)(單位為cm?1/atm),2γself(T)和2γair(T)分別為自展寬系數(shù)和空氣展寬系數(shù).若實(shí)驗(yàn)氣體為純水汽,碰撞自展寬半峰全寬系數(shù)可表示為

利用Voigt線(xiàn)型進(jìn)行多峰擬合獲得吸收光譜的洛倫茲展寬半峰全寬值.根據(jù)(5)式,將不同壓強(qiáng)下的洛倫茲展寬半峰全寬值進(jìn)行線(xiàn)性擬合,獲得該溫度下的自展寬半峰半寬系數(shù)測(cè)量值.利用不同溫度下的自展寬半峰半寬系數(shù)對(duì)溫度作曲線(xiàn)擬合,即可獲得參考溫度下的自展寬半峰半寬系數(shù)值.

3 水汽吸收光譜參數(shù)測(cè)量及結(jié)果

運(yùn)用TDLAS技術(shù)對(duì)純水汽吸收光譜進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)激光器為蝶形封裝的1381 nm DFB二極管激光器,激光器出光波長(zhǎng)由電流和溫度模塊(Thorlabs OEM Controllers ITC102)控制.激光器工作時(shí),固定激光器的溫度,通過(guò)函數(shù)發(fā)生器輸出的鋸齒波實(shí)現(xiàn)電流調(diào)諧波長(zhǎng)掃描輸出,掃描頻率為100 Hz,設(shè)置電流范圍使周期內(nèi)起始時(shí)間段激光器處于出光閾值以下,用作背景光輻射、探測(cè)器和電子學(xué)噪聲等造成直流偏移量的本底參考.出射激光通過(guò)分束器分成兩束,一束經(jīng)準(zhǔn)直器后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具由InGaAs探測(cè)器1(Thorlabs DET10C)接收形成干涉信號(hào)用于波長(zhǎng)標(biāo)定,另一束經(jīng)準(zhǔn)直器后由單模光纖傳輸?shù)降蜏匚粘?獲得水汽吸收后的信號(hào)由InGaAs探測(cè)器2(Thorlabs DET10C)接收.兩個(gè)探測(cè)器信號(hào)經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后,由上位機(jī)控制NI采集卡進(jìn)行采集和后處理.采集卡采樣率為5 MHz,對(duì)獲得的吸收信號(hào)進(jìn)行平滑濾波處理,獲得的吸光度信噪比(SNR)在100—1900之間.水瓶?jī)?nèi)裝有雙蒸水液體,對(duì)水瓶抽真空使雙蒸水氣化產(chǎn)生純水汽.氣體池內(nèi)壓強(qiáng)由真空計(jì)(Pfei ff er-CMR362)測(cè)量,并由多級(jí)羅茨干泵(Asixen ACP15)對(duì)氣體池抽真空以改變氣體池內(nèi)的壓強(qiáng).

圖1 水汽吸收光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Schematic of water vapor absorption spectrum measurement setup.

對(duì)測(cè)量得到的水汽吸收信號(hào),采用三次多項(xiàng)式擬合的方法獲得基線(xiàn),并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具的干涉信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定,分別得到不同溫度、不同壓強(qiáng)下的水汽吸收光譜(圖2(a)).利用Voigt線(xiàn)型對(duì)吸光度曲線(xiàn)分別進(jìn)行擬合(圖2(b)),獲取吸收光譜的積分吸光度值及洛倫茲展寬值.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)水汽低溫吸收光譜;(b)Voigt線(xiàn)型擬合結(jié)果及殘差Fig.2.(color online)(a)Measured absorbance of pure H2O at low temperature;(b)best- fi t Voigt pro fi le for transitions near 7243.07 cm?1in pure H2O.

將吸收線(xiàn)在某一溫度、不同壓強(qiáng)下的積分吸光度值進(jìn)行線(xiàn)性擬合,獲得該溫度下的線(xiàn)強(qiáng)值(圖3(a)).同時(shí),將同一條吸收線(xiàn)在不同溫度下的線(xiàn)強(qiáng)按(5)式進(jìn)行線(xiàn)性擬合,獲得參考溫度T0=296 K下的線(xiàn)強(qiáng)值(圖3(b)).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)7240.41531 cm?1吸收線(xiàn)的積分吸光度擬合結(jié)果;(b)三條吸收線(xiàn)在不同溫度下的線(xiàn)強(qiáng)線(xiàn)性擬合結(jié)果Fig.3.(color online)(a)Linear fi t of integral absorbance for transitions near 7240.41532 cm?1in pure H2O;(b)linear fi t of line-strength at different temperatures for three absorption spectral lines.

圖4 (a)7243.92368 cm?1吸收線(xiàn)的洛倫茲展寬值及線(xiàn)性擬合結(jié)果;(b)不同溫度下的自展寬系數(shù)及最佳擬合結(jié)果Fig.4.(a)Measured Lorentz-broadening and linear fi t at 7243.92368 cm?1;(b)measured self-broadening coefficients at different temperatures and the best fi t.

運(yùn)用Voigt線(xiàn)型對(duì)吸光度進(jìn)行擬合獲取吸收線(xiàn)面積的同時(shí),也得到了吸收線(xiàn)的洛倫茲展寬半峰全寬值.由于實(shí)驗(yàn)采用純水,對(duì)洛倫茲展寬值進(jìn)行線(xiàn)性擬合.圖4為擬合過(guò)程,通過(guò)擬合可以獲得各實(shí)驗(yàn)溫度及參考溫度下的自展寬半峰全寬系數(shù)值.

由于(1)式中各變量是相互獨(dú)立的,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度傳遞公式可得線(xiàn)強(qiáng)不確定度為

不同壓強(qiáng)、不同溫度下的積分吸光度的不確定度(ΔA)首先按貝塞爾法計(jì)算單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差,再按不確定度A類(lèi)評(píng)定方法獲得其不確定度;壓強(qiáng)的不確定度(ΔP=0.25%)來(lái)源于真空計(jì)的測(cè)量不確定度;水汽的體積分?jǐn)?shù)不確定度(ΔXabs=0.50%)來(lái)源于無(wú)法對(duì)氣體池完全抽真空及氣體池漏氣;有效光程的不確定度(ΔL=0.20%)來(lái)源于光經(jīng)窗片的折射及氣體池加工制造誤差;溫度的不確定度(ΔT=0.14%)來(lái)源于溫度傳感器的不確定度.前4項(xiàng)偏導(dǎo)數(shù)值可以通過(guò)(1)式求得,第5項(xiàng)根據(jù)線(xiàn)強(qiáng)與溫度的依賴(lài)關(guān)系((2)式)求得.按置信概率p=95%、包含因子k=2計(jì)算擴(kuò)展不確定度US=kΔS.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及不確定度計(jì)算,得到296 K溫度下5條水汽吸收線(xiàn)的線(xiàn)強(qiáng)值和洛倫茲展寬值以及相應(yīng)的不確定度,如表1所示.

表1 296 K下參數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果與HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比Table 1.Comparison of measured parameters at 296 K and corresponding values in the HITRAN2012 database.

4 結(jié) 論

本文利用自主研制的低溫吸收池測(cè)量了低溫低壓下水汽的吸收光譜,計(jì)算得到5條吸收線(xiàn)在參考溫度296 K下的線(xiàn)強(qiáng)值及自展寬系數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前廣泛使用的HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),5條吸收線(xiàn)中,HITRAN2012中的線(xiàn)強(qiáng)值與實(shí)驗(yàn)線(xiàn)強(qiáng)值最大差異達(dá)到10.96%,而且實(shí)驗(yàn)線(xiàn)強(qiáng)的不確定度小于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)值的不確定度.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)中某些數(shù)據(jù)確實(shí)存在相當(dāng)誤差,同時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中7240—7246 cm?1吸收線(xiàn)線(xiàn)強(qiáng)及自展寬系數(shù)進(jìn)行修正,這對(duì)于今后運(yùn)用吸收光譜技術(shù)精確測(cè)量水汽濃度和溫度等參數(shù)具有重要意義.

[1]Kiehl J T,Trenberth K E 1997B.Am.Meteorol.Soc.78 197

[2]Maycock A C,Shine K P,Joshi M M 2011Q.J.Roy.Meteotol.Soc.137 1070

[3]Ravishankara A R 2012Science337 809

[4]Witzel O,Klein A,Wagner S,Me ff ert C,Schulz C,Ebert-Witzel V 2012Appl.Phys.B109 521

[5]Gallegos J G,Benyon R,Avila S,Benito A,Gavioso R M,Mitter H,Bell S,Stevens M,B?se N,Ebert V,Heinonen M,Sairanen H,Peruzzi A,Bosma R,Val’ková M 2015J.Nat.Gas Sci.Eng.23 407

[6]Buchholz B,Afchine A,Klein A,Schiller C,Kr?mer M,Ebert V 2017Atmos.Meas.Tech.10 35

[7]Mohamed A,Rosier B,Henry D,Louvet Y,Varghese P L 1996AIAA J.34 494

[8]Albert S,Bauerecker S,Boudon V,Brown L R,Champion J P,Lo?te M 2009Chem.Phys.356 131

[9]Gao W,Wang G S,Chen W D,Zhang W J,Gao X M 2011Spectroscopy and Spectral Analysis31 3180(in Chinese)[高偉,王貴師,陳衛(wèi)東,張為俊,高曉明 2011光譜學(xué)與光譜分析31 3180]

[10]Vallon R,Soutade J,Verant J L,Meyers J,Paris S,Mohamed A 2010Sensors10 6081

[11]Rothman L S,Gordon I E,Babikov Y,Barbe A,Chris Benner D,Bernath P F,Birk M,Bizzocchi L,Boudon V,Brown L R,Campargue A,Chance K,Cohen E A,Coudert L H,Devi V M,Drouin B J,Fayt A,Flaud J M,Gamache R R,Harrison J J,Hartmann J M,Hill C,Hodges J T,Jacquemart D,Jolly A,Lamouroux J,Le Roy R J,Li G,Long D A,Lyulin O M,Mackie C J,Massie S T,Mikhailenko S,Müller H S P,Naumenko O V,Nikitin A V,Orphal J,Perevalov V,Perrin A,Polovtseva E R,Richard C,Smith M A H,Starikova E,Sung K,Tashkun S,Tennyson J,Toon G C,Tyuterev V G,Wagner G 2013J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer130 4

[12]Chen J Y,Liu J G,He Y B,Wang L,Jiang Q,Xu Z Y,Yao L,Yuan S,Ruan J,He J F,Dai Y H,Kan R F 2013Acta Phys.Sin.62 224206(in Chinese)[陳玖英,劉建國(guó),何亞柏,王遼,江強(qiáng),許振宇,姚路,袁松,阮俊,何俊鋒,戴云海,闞瑞峰2013物理學(xué)報(bào)62 224206]

[13]Goldenstein C S,Je ff ries J B,Hanson R K 2013J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer130 100

[14]Pogány A,Klein A,Ebert V 2015J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer165 108

[15]Ngo N H,Ibrahim N,Landsheere X,Tran H,Chelin P,Schwell M,Hartmann J M 2012J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer113 870

[16]Liu X,Je ff ries J B,Hanson R K 2007Meas.Sci.Technol.18 1185

[17]Ptashnik I V,Smith K M,Shine K P 2005J.Mol.Spectrosc.232 186

[18]Zhang G L,Liu J G,Kan R F,Xu Z Y 2014Chin.Phys.B23 124207

Measuring spectral parameters of water vapor at low temperature based on tunable diode laser absorption spectroscopy?

Nie Wei1)2)Kan Rui-Feng1)?Xu Zhen-Yu1)?Yao Lu1)Xia Hui-Hui1)Peng Yu-Quan1)2)Zhang Bu-Qiang1)2)He Ya-Bai1)

1)(Key Laboratory of Environmental Optics and Technology,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Hefei Institutes ofPhysical Science,China Academy of Sciences,Hefei 230031,China)
2)(University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

8 May 2017;revised manuscript

5 June 2017)

Accurate and reliable spectral line parameters of gas are very important for measuring gas concentration and temperature.The mainstream spectrum database(e.g.HITRAN)includes the values from theoretical computation based on different models,which have some inevitable deviations from the corresponding actual values.To address this problem,we develop a low-temperature spectral experimental platform for simulating low temperature and low pressure environment so as to accurately measure gas absorption spectral parameters.The spectral experimental platform uses the static cooling technology combined with the Dewar insulation system to maintain the quartz cell at a constant temperature.Through adjusting the electric heating and liquid helium refrigeration,we can achieve temperature change and stability.Temperature of the low temperature absorption cell can be adjusted in a range of 100-350 K with a precision lower than 0.3 K and the temperature gradient in the cell is lower than 0.01 K/cm.The length of quartz cell is 100 cm,and a re fl ector can be used to increase optical path for absorption.The window diameter is 76 mm,and the spectral resolution is better than 0.001 cm?1.We use a tunable diode laser spectrometer to measure absorption spectra of pure water vapor with the platform at different temperatures(230–340 K)and different pressures(10–1000 Pa).Voigt pro fi le is the leastsquares fi t to the measured spectra by using a multi-spectrum fi tting routine.A fi lter is used to reduce electronic noise of detector signal.As spectral lines in the band of 7240–7246 cm?1are often used in low temperature wind tunnel fl ow fi eld measurements,a distributed feedback(DFB)diode laser with a wavelength of 1381 nm is used in the experiment,and fi ve water vapor lines are selected and measured.Firstly,from the linear fi tting of line area and the full width at half maximum of collisional broadening(or pressure broadening)we obtain line strengths and self-broadening half-width coefficients at different temperatures.Secondly,from nonlinear fi tting of line strengths and self-broadening half-width coefficients at different temperatures we obtain the values of line strengths and self-broadening half-width coefficients at the reference temperature(296 K).In the end,comparison between our experimental results and HITRAN2012 database values shows that the maximum discrepancy between the HITRAN database and the experimental result is 10.96%.A transparent uncertainty analysis is given for the measurement values.Uncertainties of our measured line strengths are in a 1.11%–2.98%range(95%con fi dence level,k=2),which is smaller than those of HITRAN2012 database values(uncertainties are in a range of 5%–10%).The accurate spectral parameters are obtained experimentally,and of great signi fi cance for improving the spectrum measurement accuracy of water vapor in low temperature environment in the future.

tunable diode laser absorption spectroscopy,water vapor,line strength,self-broadening coefficient

(2017年5月8日收到;2017年6月5日收到修改稿)

10.7498/aps.66.204204

?國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2014YQ060537)資助的課題.

?通信作者.E-mail:kanruifeng@aiofm.ac.cn

?通信作者.E-mail:zyxu@aiofm.ac.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:42.62.Fi,33.20.Ea,42.55.PxDOI:10.7498/aps.66.204204

*Project supported by the National Major Scienti fi c Instrument and Equipment Development Project of China(Grant No.2014YQ060537).

?Corresponding author.E-mail:kanruifeng@aiofm.ac.cn

?Corresponding author.E-mail:zyxu@aiofm.ac.cn