气溶胶吸收系数光热干涉法研究

邓迁,李祥祥,马飞,李伟,王易成

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009）

气溶胶作为地球空气的重要组成部分,是气体和颗粒物在重力场中具有一定稳定性、沉降速度小的粒子的混合系统,同时也是指悬浮在空气中、其空气动力学直径Dae在1 nm～100 μm的固态或液态颗粒物,是空气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一.国际标准化组织将Dae＜10 μm的颗粒物称为可吸入颗粒（PM10）,Dae≤2.5 μm的颗粒称为可入肺颗粒物（PM2.5）[1].气溶胶的吸收在地球大气直接和间接辐射强迫及对能见度的影响中发挥着重要作用.气溶胶吸收直接使气候模型中的非吸收性气溶胶增加了加热项,是气候模型中最不确定的因素之一.因此,为了准确地估计气溶胶辐射强迫的数值,降低气溶胶辐射强迫计算中的不确定度,提高气候变化模型的灵敏度,对气溶胶吸收系数的准确测量方法开展研究是非常紧迫和必要的.尤其是气候问题的日益突出,如北京近期的灰霾天气,引起了群众对大气问题的极大关注,大气气溶胶吸收系数的测量方法也顺理成章地成为近来研究的热点之一[2].

常用的大气气溶胶吸收系数的测量方法有：基于滤膜采样的方法（如积分片法、PSAP、MAAP等）、消光减散射（又叫差分方法）、遥感方法、光声法、激光诱导的热辐射法等[3].与以上几种方法相比,光热干涉法能直接测量大气气溶胶吸收系数而不受散射光的影响,具有精度高、不确定度低、在线原位等优点.目前国内该方面的研究还很少,具有很大的潜力.

传统的迈克尔逊干涉仪等具有振动敏感的问题,多年来在精密测量中,干涉仪结构方面的发展没有取得显著的进步,大多进展停留在对误差进行补偿方面[4-5].气溶胶吸收系数光热低相干涉法采用偏振折返式干涉结构,突破了振动敏感性的问题,同时在光路中采用了四分频模块获得四路正交信号,在电路中采用差分放大电路消除直流温漂以及克服外界环境变化对测量系统的影响,在软件方面采用细分卡,提高了干涉测量的精度,提高气溶胶吸收系数测量的准确性对研究气候变化等方面有重要意义.本文主要在理论分析的基础对实际操作进行支持.

1 测量原理

1.1 干涉仪原理

光热干涉方法是指激光通过大气气溶胶产生吸收,导致气溶胶粒子温度升高,并向周围空气辐射热量,导致粒子周围空气的折射率由于温度升高而发生变化.折射率的变化会导致光程差发生变化,进而产生干涉现象,通过对干涉现象进行测量,得到吸收系数的具体数值.干涉仪的具体结构如图1.

图1 干涉仪的光路Fig.1 Interferometer light path diagram

由图1可知,从激光器发出的入射光信号为线偏振光,经过一个1/4波片1后（快轴与x轴夹角为45°）,变成圆偏振光.圆偏振光射入表面经过特殊加工的平行平板2的A点,经过平行平板2的偏振分束膜后,被分成p和s光.其中s光反射后经过平行平板2的高反膜再次反射后射向角反射棱镜回射到B点,此光路作为参考臂,p光透射后经过气溶胶室3射向角反射棱镜5经过棱镜回射后也到达B点,此光路作为测量臂.通过调制激光器4对气溶胶进行加热从而产生折射率的变化进而产生位相差,最终s光和p光在平行平板的B点重新相遇汇合成两束重合偏振态正交的光信号.相互重合偏振态正交的光信号射入1/4波片8（快轴与x轴夹角为45°）,变成两束旋转方向相反的圆偏光.经过消偏振分光棱镜9分成等强度的两束光,其中一束光射向偏振分光棱镜12后,p光透射s光反射形成两束相位差180°干涉信号,另外一束光经过1/2波片10后（快轴与x轴夹角为22.5°）,形成与原来旋转方向相反的两圆偏光,然后在经过偏振分光棱镜11形成另外两束相位差180°的干涉信号.四束相位差依次相差90°的干涉信号被4个光电检测器13接收后转换为电信号用作后续电路处理.

四分频模块是为了获得4束相位差为90°的干涉信号,送入光电检测器转变成电信号,进行前置及差分放大,消除直流分量.由于这4束电信号都是从同一束光信号中分离出来,光信号受干涉系统与外界的影响一致,可以得到共模抑制比较好的四路正交信号,之后送入采集卡及计算机进行后续的细分和数据处理.

1.2 干涉仪的推导

设光线沿z轴传播,从激光器发出的入射E光信号为线偏振光,其琼斯矢量表达式[6]为

已知波晶片的琼斯矩阵为（θ为快轴与x轴的夹角,δ为波晶片引起的相位延迟）

经计算1/4波片的琼斯矩阵为

1/2 波片的琼斯矩阵为

偏振分束膜和偏振分光棱镜的透射光和反射光的琼斯矩阵分别为

入射光束经过偏振器件后的输出光束为

在到达汇合点B的光信号

考虑到半波损失,则

四分频模块的其中一束输出信号

所以

所以

利用和差化积公式得

又

同理

以上各式可得到四束相位差相差90°的干涉信号,分别送入4个光电检测器转换成电信号,它们被光电池和前置放大电路转化为电信号的输出分别为

其中U为光直流分量,差分放大电路的放大倍数为

差分放大电路4路输出为

2 结果与分析

通过示波器的“XY”显示可以观察到两路正弦信号合成为一处在45°方向上的点,因为折射率没有发生变化时两正弦信号的电压值均为偏置电压2.5 V.两余弦信号的合成为处在一与45°有小角度偏移的直线上的点,因为折射率没有发生变化时,+cos信号的电压值为2.5+2AU,-cos信号的电压值为2.5-2AU.折射率发生变化时任一余弦信号与正弦信号的合成应为李萨如圆,且圆心处在45°直线上,因为

则

其中A和U均为定值,所以该轨迹为一以（2.5,2.5）为圆心,2AU为半径的圆.

通过示波器观察实验现象,呈现李萨如圆如图2所示,说明折射率确实随温度变化产生变化.

图2 实验得到的李萨如圆Fig.2 The Lissajous circle experiments

因为实验条件的限制,光热效应没有按照理论上利用调制激光器对气溶胶进行加热,而是采用烙铁加气泵的简易模式,温差的营造效果不是非常好,得到的李萨如图是圆的轮廓而不是非常清晰的圆.进一步的实验调试在后续的时间会继续进行.

3 结论与讨论

该偏振干涉仪采用折返式的Jamin干涉仪结构,克服了振动对测量系统的影响.在干涉仪的结构上创新是对精密测量的重要贡献.干涉光路“一二一四”的模型即一束光分为两束,正交然后合成一束,最后变成四束相位彼此正交的光,提高了系统对环境的稳定性,同时提高系统的分辨率；光电探测部分采用激光干涉四通道探测的方法,以减少光强“零漂”对系统的影响.并利用偏振光的琼斯矢量以及偏振器件的琼斯矩阵的表述方式推导出干涉光路中光束偏振状态改变的情况.

本文从琼斯矢量和琼斯矩阵出发,计算和推导了折返式Jamin干涉仪和四分频结构组成的偏振测量系统中信号偏振态的改变.在实验中获得四束相位差相差90度的较好的输出信号,对理论结果进行了验证.在实验中,由于温差效应的营造不是很好,得到的李萨如圆的形状不是很精确,在后续的实验中会进一步改善实验条件,获得准确的输出信号,为细分处理做好准备.

[1] 杨小丽,罗九强,王俊波,等.大气气溶胶粒子光吸收系数的测量[J].强激光与粒子束,2003,15（6）：543-546.

[2] 李保生.光热低相干干涉法测量大气气溶胶吸收[J].光学精密工程,2012,20（8）：1704-1709.

[3] Moosmǖller H,Arnott WP.Folded Jamin interferometer：AStable instrument for refractive-index measurements[J].Optics Letters,1996,21（6）：438-400.

[4] Chan H.Effective absorption for thermal bloomingdue toaerosols[J].Applied Physics Letters,1975,26（11）：628-630.

[5] Liu Y,Li B,Liu Y Y,et al.Optical fiber interferometric spectrometer（Oral）,proceedings of SPIE-the international society for optical engineering,2nd international symposiumon advanced optical manufacturing and testingtechnologies[J].Optical Test and Measurement Technology and Equipment,2006,6150：61501F1-61501F5.

[6] 魏晓燕,聂守平.偏振光与偏振元件的琼斯矢量分析[J].南京师大学报：自然科学版,2001,24（3）：58-60.