基于光共振吸收的水分子氣體壓強(qiáng)的測(cè)量

袁泳怡，黎綺鏇，彭鈺嵋，石 磊，羅鋈流，杜炎雄

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006）

1 引言

真空玻璃是一種新型玻璃深加工產(chǎn)品，它是將雙層玻璃內(nèi)部抽成高真空狀態(tài)（幾乎接近真空）的一種特殊玻璃。影響真空玻璃的一個(gè)重要參數(shù)是玻璃內(nèi)部壓強(qiáng)，內(nèi)部壓強(qiáng)越高，則真空玻璃性能越好。因此，發(fā)展出一種能快速、準(zhǔn)確測(cè)量出真空玻璃內(nèi)部壓強(qiáng)的方法，對(duì)于真空玻璃的生產(chǎn)及維護(hù)有重要意義。

目前常用的檢測(cè)真空玻璃的方法有很多種，其中包括：光彈法、動(dòng)態(tài)法、熱傳導(dǎo)法、電容薄膜真空規(guī)、磁懸浮振子真空規(guī)。但前三種方法所需時(shí)間久，測(cè)量效率低，測(cè)量精度不高。后兩種方法由于必須在真空玻璃上打孔或接玻璃管才能接入真空規(guī)，屬于破壞性的測(cè)量。且接入真空規(guī)后由于真空玻璃的容積和熱導(dǎo)等參數(shù)都已改變，使測(cè)量值與實(shí)際情況有出入。這些方法由于自身的局限性，想要廣泛投入到社會(huì)生產(chǎn)應(yīng)用中仍存在較大的難度。為了滿足測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，測(cè)量效果好的要求，本文擬討論一種基于光共振吸收的方法，對(duì)真空玻璃的真空度進(jìn)行測(cè)量。

2 光共振吸收的真空度測(cè)量理論

2.1 共振吸收原理

當(dāng)激光頻率與某一二能級(jí)系統(tǒng)共振時(shí)，分子對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)烈的吸收；當(dāng)激光頻率偏移該系統(tǒng)的共振頻率時(shí)，分子對(duì)激光的吸收快速下降。由于每種分子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)時(shí)共振吸收的能量不同，所以可以通過(guò)測(cè)量入射與出射光強(qiáng)，計(jì)算出光所損失的能量，從而得到該分子的空間密度，最后通過(guò)粒子密度推算出真空玻璃內(nèi)的壓強(qiáng)[1]。

2.2 水分子吸收譜線

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)真空玻璃內(nèi)的氣體含量及分壓狀況先進(jìn)行初步的研究。影響真空玻璃壽命的因素主要為滲透（外界氣體的滲透）和玻璃內(nèi)表面放氣。玻璃表面和體內(nèi)含有大量氣體，主要是H2O(占90%以上)及少量CO2、O2和SO2，這些氣體在玻璃熔煉或熱加工期間溶入或吸附于表面，有102 Pa·L/cm3之多。因此，選擇測(cè)量水蒸氣的濃度具有測(cè)量效果顯著和測(cè)量方便的優(yōu)點(diǎn)。

水分子在近紅外區(qū)和中紅外區(qū)有兩個(gè)較高的吸收峰，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，近紅外區(qū)能級(jí)遷躍比較復(fù)雜，中紅外區(qū)為振動(dòng)能級(jí)的遷躍[2]。這說(shuō)明水分子對(duì)于不同的光強(qiáng)敏感度不一樣。只有選擇合適的波長(zhǎng)范圍，才能觀察到明顯的吸收現(xiàn)象。本文選擇1392 nm的波長(zhǎng)作為水分子檢測(cè)的中心譜線。

2.3 真空度的計(jì)算反演

在系統(tǒng)選定之后，分子的散射截面以及介質(zhì)長(zhǎng)度即確定下來(lái)。通過(guò)吸收測(cè)量出分子數(shù)密度，利用理想氣體公式即可推出氣體壓強(qiáng)。真空玻璃內(nèi)氣壓的計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下。

基于光共振吸收原理測(cè)量真空玻璃真空度依據(jù)的核心原理是，比爾—朗伯定律，即當(dāng)特定范圍內(nèi)波長(zhǎng)的激光穿過(guò)待測(cè)氣體，由于氣體的受激原理，激光會(huì)產(chǎn)生衰減，而衰減的量與氣體的分子數(shù)成正相關(guān)，因此，我們可以通過(guò)衰減的光強(qiáng)反演出氣體濃度[3]。式子如下。

定義水分子的共振橫截面為：

其中Г為激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射率，ω為原子基態(tài)與激發(fā)態(tài)的頻率差，Is為飽和光強(qiáng)，為約化普朗克因子。當(dāng)飽和因子s=1時(shí)，飽和光強(qiáng)為：

可由式子（1）和（2）化簡(jiǎn)得：

因真空中折射率n=1，故此時(shí)：

考慮多普勒效應(yīng)，

由此可得：

因?yàn)槔硐霘怏w狀態(tài)方程為：pV=nRT，

可得到最終的表達(dá)式：

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)原理

雖然真空玻璃隨時(shí)間會(huì)放出一定的水蒸氣，考慮到真空玻璃內(nèi)層體積狹小且薄，實(shí)際上水蒸氣的量是十分微弱的。為了使測(cè)量更為精確，基于積累和放大的實(shí)驗(yàn)原則，我們?cè)O(shè)計(jì)了多次反射來(lái)加長(zhǎng)光程，最終光程達(dá)到13米，從而提高測(cè)量的精確度。

3.1.2 原件選取

在搭建本實(shí)驗(yàn)的裝置模型時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題：

（1）入射光斑的大小適中，且具有較好的平行度，需要添加準(zhǔn)直器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）考慮反射帶來(lái)的光能損耗，如何做到多次反射但損耗極小。

綜合考慮上述問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)的激光由單模光纖引出，經(jīng)由準(zhǔn)直器再入射到待測(cè)氣體，反射的玻璃采用定制的玻璃，1392 nm的激光在此種材質(zhì)的膜表面可達(dá)到99.9%的反射率，中心波長(zhǎng)照射高反膜的反射率在入射角從零變到一個(gè)相當(dāng)大的范圍時(shí)仍然保持高反膜的性質(zhì)，控制入射角小于40°，可減少因反射而造成的光能損耗。

3.2 系統(tǒng)裝置分析

本次實(shí)驗(yàn)采用TDLAS型氣體檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)對(duì)激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，穿過(guò)待測(cè)氣體，最后用光電探測(cè)器提取信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)前置放大器和鎖相放大器，進(jìn)行二次諧波的提取，最終可以計(jì)算出穿過(guò)氣體后的光強(qiáng)。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 裝置設(shè)計(jì)圖

3.2.1 可調(diào)諧二極管激光儀器

本實(shí)驗(yàn)選取了型號(hào)為DFB的可調(diào)諧二極管激光儀器，此儀器集激光驅(qū)動(dòng)和接收解調(diào)于一體，可發(fā)射中心波長(zhǎng)為1392 nm的激光，同時(shí)將光電探測(cè)器接收到的信號(hào)送回上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)二次調(diào)制，計(jì)算吸收波峰的光強(qiáng)。

3.2.2 激光驅(qū)動(dòng)信號(hào)

為實(shí)現(xiàn)由水蒸氣的濃度反演計(jì)算出真空玻璃真空度的要求，選定了可以穩(wěn)定輸出1392 nm波長(zhǎng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可通過(guò)控制工作溫度驅(qū)動(dòng)電流從而改變其輸出波長(zhǎng)。在本系統(tǒng)中，激光主控制器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)和正弦信號(hào)，疊加后驅(qū)動(dòng)激光二極管，同時(shí)將參考信號(hào)輸入鎖相放大器，用于后期的二次諧波的提取。

3.2.3 激光接收

穿過(guò)待測(cè)氣體的激光最終被光電探測(cè)器接收，這種型號(hào)的光電探測(cè)器具有精準(zhǔn)快速的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為理想的光電轉(zhuǎn)換。

3.2.4 激光調(diào)制

接收激光后會(huì)送至前置放大器將電流信號(hào)放大，再送入鎖相放大器與參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行二次諧波的提取。通過(guò)實(shí)時(shí)觀察一次諧波和二次諧波的圖像，調(diào)整參數(shù)，以得到最符合的波形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可調(diào)整以下參數(shù)改變波長(zhǎng)和頻率：（1）工作溫度：改變工作溫度可小幅改變輸出波長(zhǎng)；（2）驅(qū)動(dòng)電流：可設(shè)置最大驅(qū)動(dòng)電流和最小驅(qū)動(dòng)電流，從而改變輸出的中心波長(zhǎng)和波寬；（3）波的峰峰值：（4）掃描速度：改變單位時(shí)間內(nèi)掃描電流的次數(shù)，獲取更多的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 激光輸出測(cè)試

調(diào)節(jié)上位機(jī)的最大電流和最小電流以輸出合適穩(wěn)定的波長(zhǎng)，觀察示波器波形是否符合實(shí)驗(yàn)的要求。

4.2 檢測(cè)結(jié)果測(cè)試

按照裝置圖連接好光纖、光路、前置放大器、光強(qiáng)輸入等各部分器件，調(diào)節(jié)上位機(jī)控制輸出的中心波長(zhǎng)。將上位機(jī)模式調(diào)至二次諧調(diào)模式，調(diào)節(jié)相位差，可得到一次諧調(diào)（綠線）和二次諧調(diào)（灰線）的波形見(jiàn)圖2。

圖2 諧調(diào)波形圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 真空度的計(jì)算

由于目前無(wú)法在真空玻璃中搭建太長(zhǎng)的光路，因此我們將實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度調(diào)到（20℃，80%），用實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境來(lái)模擬真空玻璃內(nèi)部水蒸氣的環(huán)境，并使得光程達(dá)到13米。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)量水蒸氣濃度，反演推算大氣壓強(qiáng)為143 kPa，相比于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的101.325 kPa，百分誤差為41.6%。

當(dāng)真空玻璃中的真空度完全損失時(shí)，其內(nèi)部壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)相當(dāng)，合格的真空玻璃真空度＜10-4kPa,與大氣壓相差6個(gè)數(shù)量級(jí)，通過(guò)此方法測(cè)量真空玻璃真空度具有可行性。

4.3.2 光程對(duì)樣品壓強(qiáng)測(cè)量誤差的影響

考慮到光程對(duì)測(cè)量誤差的影響，多次改變光程并計(jì)算壓強(qiáng)和百分誤差。從圖3可以看到，隨著光程的增加，測(cè)量的百分誤差逐漸減少，但由于受到光斑線度的影響，光程不可能無(wú)限地增加，所以在有效的光程內(nèi)，增加光程可以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

圖3 光程與誤差趨勢(shì)圖

4.4 檢測(cè)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)存在著以下的誤差：

（1）激光儀器存在儀器漲落，輸出的波長(zhǎng)是涵蓋吸收峰的一小段范圍，但實(shí)際上，波長(zhǎng)改變0.0001 nm則會(huì)引起吸收截面超過(guò)10-2的改變，這會(huì)造成測(cè)量誤差。

（2）在計(jì)算時(shí)未考慮水蒸氣的分壓，由于水蒸氣的分壓現(xiàn)象也會(huì)引起一定程度的誤差。

（3）由于光斑聚焦的約束，光程難以達(dá)到理想的范圍，長(zhǎng)光程測(cè)量可以減少誤差。

但值得肯定的是，雖然存在著一定程度的儀器誤差，我們?nèi)匀豢梢缘玫皆诳山邮苷`差范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明通過(guò)此方法進(jìn)行測(cè)量真空玻璃的真空度是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有常用的測(cè)量真空玻璃真空度方法中存在的不能滿足測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量效果好等不足，本實(shí)驗(yàn)基于光共振吸收原理，提出了一種測(cè)量真空玻璃真空度的新方法。通過(guò)自行設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量水蒸氣的濃度，進(jìn)而反演推算出壓強(qiáng)大小。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)測(cè)量入射光強(qiáng)、出射光強(qiáng)就可以根據(jù)反演公式得出壓強(qiáng)大小，這充分說(shuō)明了利用光共振吸收原理的真空玻璃真空度測(cè)量理論的實(shí)際可行性。此外，隨著光程的增加，測(cè)得的光強(qiáng)精度也相應(yīng)增加，與預(yù)期相同，驗(yàn)證了理論的準(zhǔn)確性。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法具有理論可行性，日后在真空玻璃的設(shè)計(jì)中可以增加高反膜以便于后期檢測(cè)，可以推廣到社會(huì)生產(chǎn)，應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)中，具有較大的應(yīng)用前景。