基于光共振吸收的水分子氣體壓強的測量

袁泳怡，黎綺鏇，彭鈺嵋，石 磊，羅鋈流，杜炎雄

（華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006）

1 引言

真空玻璃是一種新型玻璃深加工產品，它是將雙層玻璃內部抽成高真空狀態（幾乎接近真空）的一種特殊玻璃。影響真空玻璃的一個重要參數是玻璃內部壓強，內部壓強越高，則真空玻璃性能越好。因此，發展出一種能快速、準確測量出真空玻璃內部壓強的方法，對于真空玻璃的生產及維護有重要意義。

目前常用的檢測真空玻璃的方法有很多種，其中包括：光彈法、動態法、熱傳導法、電容薄膜真空規、磁懸浮振子真空規。但前三種方法所需時間久，測量效率低，測量精度不高。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，屬于破壞性的測量。且接入真空規后由于真空玻璃的容積和熱導等參數都已改變，使測量值與實際情況有出入。這些方法由于自身的局限性，想要廣泛投入到社會生產應用中仍存在較大的難度。為了滿足測量速度快，測量精度高，測量效果好的要求，本文擬討論一種基于光共振吸收的方法，對真空玻璃的真空度進行測量。

2 光共振吸收的真空度測量理論

2.1 共振吸收原理

當激光頻率與某一二能級系統共振時，分子對激光進行強烈的吸收；當激光頻率偏移該系統的共振頻率時，分子對激光的吸收快速下降。由于每種分子從基態躍遷至激發態時共振吸收的能量不同，所以可以通過測量入射與出射光強，計算出光所損失的能量，從而得到該分子的空間密度，最后通過粒子密度推算出真空玻璃內的壓強[1]。

2.2 水分子吸收譜線

實驗前，對真空玻璃內的氣體含量及分壓狀況先進行初步的研究。影響真空玻璃壽命的因素主要為滲透（外界氣體的滲透）和玻璃內表面放氣。玻璃表面和體內含有大量氣體，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，選擇測量水蒸氣的濃度具有測量效果顯著和測量方便的優點。

水分子在近紅外區和中紅外區有兩個較高的吸收峰，通過分析發現，近紅外區能級遷躍比較復雜，中紅外區為振動能級的遷躍[2]。這說明水分子對于不同的光強敏感度不一樣。只有選擇合適的波長范圍，才能觀察到明顯的吸收現象。本文選擇1392 nm的波長作為水分子檢測的中心譜線。

2.3 真空度的計算反演

在系統選定之后，分子的散射截面以及介質長度即確定下來。通過吸收測量出分子數密度，利用理想氣體公式即可推出氣體壓強。真空玻璃內氣壓的計算公式的推導過程如下。

基于光共振吸收原理測量真空玻璃真空度依據的核心原理是，比爾—朗伯定律，即當特定范圍內波長的激光穿過待測氣體，由于氣體的受激原理，激光會產生衰減，而衰減的量與氣體的分子數成正相關，因此，我們可以通過衰減的光強反演出氣體濃度[3]。式子如下。

定義水分子的共振橫截面為：

其中Г為激發態自發輻射率，ω為原子基態與激發態的頻率差，Is為飽和光強，為約化普朗克因子。當飽和因子s=1時，飽和光強為：

可由式子（1）和（2）化簡得：

因真空中折射率n=1，故此時：

考慮多普勒效應，

由此可得：

因為理想氣體狀態方程為：pV=nRT，

可得到最終的表達式：

3 實驗系統分析

3.1 系統光路設計

3.1.1 設計原理

雖然真空玻璃隨時間會放出一定的水蒸氣，考慮到真空玻璃內層體積狹小且薄，實際上水蒸氣的量是十分微弱的。為了使測量更為精確，基于積累和放大的實驗原則，我們設計了多次反射來加長光程，最終光程達到13米，從而提高測量的精確度。

3.1.2 原件選取

在搭建本實驗的裝置模型時，需要考慮以下問題：

（1）入射光斑的大小適中，且具有較好的平行度，需要添加準直器進行調節。

（2）考慮反射帶來的光能損耗，如何做到多次反射但損耗極小。

綜合考慮上述問題，本實驗的激光由單模光纖引出，經由準直器再入射到待測氣體，反射的玻璃采用定制的玻璃，1392 nm的激光在此種材質的膜表面可達到99.9%的反射率，中心波長照射高反膜的反射率在入射角從零變到一個相當大的范圍時仍然保持高反膜的性質，控制入射角小于40°，可減少因反射而造成的光能損耗。

3.2 系統裝置分析

本次實驗采用TDLAS型氣體檢測系統。通過波長調制技術對激光器進行驅動，穿過待測氣體，最后用光電探測器提取信號，將信號通過前置放大器和鎖相放大器，進行二次諧波的提取，最終可以計算出穿過氣體后的光強。圖1為實驗裝置示意圖。

圖1 裝置設計圖

3.2.1 可調諧二極管激光儀器

本實驗選取了型號為DFB的可調諧二極管激光儀器，此儀器集激光驅動和接收解調于一體，可發射中心波長為1392 nm的激光，同時將光電探測器接收到的信號送回上位機進行實時二次調制，計算吸收波峰的光強。

3.2.2 激光驅動信號

為實現由水蒸氣的濃度反演計算出真空玻璃真空度的要求，選定了可以穩定輸出1392 nm波長的可調諧半導體激光器，可通過控制工作溫度驅動電流從而改變其輸出波長。在本系統中，激光主控制器產生鋸齒波信號和正弦信號，疊加后驅動激光二極管，同時將參考信號輸入鎖相放大器，用于后期的二次諧波的提取。

3.2.3 激光接收

穿過待測氣體的激光最終被光電探測器接收，這種型號的光電探測器具有精準快速的優點，可以實現較為理想的光電轉換。

3.2.4 激光調制

接收激光后會送至前置放大器將電流信號放大，再送入鎖相放大器與參考信號進行對比，進行二次諧波的提取。通過實時觀察一次諧波和二次諧波的圖像，調整參數，以得到最符合的波形。實驗過程中，可調整以下參數改變波長和頻率：（1）工作溫度：改變工作溫度可小幅改變輸出波長；（2）驅動電流：可設置最大驅動電流和最小驅動電流，從而改變輸出的中心波長和波寬；（3）波的峰峰值：（4）掃描速度：改變單位時間內掃描電流的次數，獲取更多的數據。

4 實驗結果與討論

4.1 激光輸出測試

調節上位機的最大電流和最小電流以輸出合適穩定的波長，觀察示波器波形是否符合實驗的要求。

4.2 檢測結果測試

按照裝置圖連接好光纖、光路、前置放大器、光強輸入等各部分器件，調節上位機控制輸出的中心波長。將上位機模式調至二次諧調模式，調節相位差，可得到一次諧調（綠線）和二次諧調（灰線）的波形見圖2。

圖2 諧調波形圖

4.3 實驗結果

4.3.1 真空度的計算

由于目前無法在真空玻璃中搭建太長的光路，因此我們將實驗室的溫度和濕度調到（20℃，80%），用實驗室的環境來模擬真空玻璃內部水蒸氣的環境，并使得光程達到13米。

表1 實驗結果

通過測量水蒸氣濃度，反演推算大氣壓強為143 kPa，相比于標準大氣壓的101.325 kPa，百分誤差為41.6%。

當真空玻璃中的真空度完全損失時，其內部壓強與大氣壓強相當，合格的真空玻璃真空度＜10-4kPa,與大氣壓相差6個數量級，通過此方法測量真空玻璃真空度具有可行性。

4.3.2 光程對樣品壓強測量誤差的影響

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

圖3 光程與誤差趨勢圖

4.4 檢測結果分析

本實驗存在著以下的誤差：

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

（2）在計算時未考慮水蒸氣的分壓，由于水蒸氣的分壓現象也會引起一定程度的誤差。

（3）由于光斑聚焦的約束，光程難以達到理想的范圍，長光程測量可以減少誤差。

但值得肯定的是，雖然存在著一定程度的儀器誤差，我們仍然可以得到在可接受誤差范圍內的測量結果，說明通過此方法進行測量真空玻璃的真空度是可行的。

5 結語

針對現有常用的測量真空玻璃真空度方法中存在的不能滿足測量速度快、測量精度高、測量效果好等不足，本實驗基于光共振吸收原理，提出了一種測量真空玻璃真空度的新方法。通過自行設計和搭建實驗平臺，測量水蒸氣的濃度，進而反演推算出壓強大小。根據上述實驗結果可知，通過測量入射光強、出射光強就可以根據反演公式得出壓強大小，這充分說明了利用光共振吸收原理的真空玻璃真空度測量理論的實際可行性。此外，隨著光程的增加，測得的光強精度也相應增加，與預期相同，驗證了理論的準確性。因此，實驗結果表明了該方法具有理論可行性，日后在真空玻璃的設計中可以增加高反膜以便于后期檢測，可以推廣到社會生產，應用到實際檢測中，具有較大的應用前景。