基于光共振吸收的水分子气体压强的测量

袁泳怡，黎绮镟，彭钰嵋，石 磊，罗鋈流，杜炎雄

（华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006）

1 引言

真空玻璃是一种新型玻璃深加工产品，它是将双层玻璃内部抽成高真空状态（几乎接近真空）的一种特殊玻璃。影响真空玻璃的一个重要参数是玻璃内部压强，内部压强越高，则真空玻璃性能越好。因此，发展出一种能快速、准确测量出真空玻璃内部压强的方法，对于真空玻璃的生产及维护有重要意义。

目前常用的检测真空玻璃的方法有很多种，其中包括：光弹法、动态法、热传导法、电容薄膜真空规、磁悬浮振子真空规。但前三种方法所需时间久，测量效率低，测量精度不高。后两种方法由于必须在真空玻璃上打孔或接玻璃管才能接入真空规，属于破坏性的测量。且接入真空规后由于真空玻璃的容积和热导等参数都已改变，使测量值与实际情况有出入。这些方法由于自身的局限性，想要广泛投入到社会生产应用中仍存在较大的难度。为了满足测量速度快，测量精度高，测量效果好的要求，本文拟讨论一种基于光共振吸收的方法，对真空玻璃的真空度进行测量。

2 光共振吸收的真空度测量理论

2.1 共振吸收原理

当激光频率与某一二能级系统共振时，分子对激光进行强烈的吸收；当激光频率偏移该系统的共振频率时，分子对激光的吸收快速下降。由于每种分子从基态跃迁至激发态时共振吸收的能量不同，所以可以通过测量入射与出射光强，计算出光所损失的能量，从而得到该分子的空间密度，最后通过粒子密度推算出真空玻璃内的压强[1]。

2.2 水分子吸收谱线

实验前，对真空玻璃内的气体含量及分压状况先进行初步的研究。影响真空玻璃寿命的因素主要为渗透（外界气体的渗透）和玻璃内表面放气。玻璃表面和体内含有大量气体，主要是H2O(占90%以上)及少量CO2、O2和SO2，这些气体在玻璃熔炼或热加工期间溶入或吸附于表面，有102 Pa·L/cm3之多。因此，选择测量水蒸气的浓度具有测量效果显著和测量方便的优点。

水分子在近红外区和中红外区有两个较高的吸收峰，通过分析发现，近红外区能级迁跃比较复杂，中红外区为振动能级的迁跃[2]。这说明水分子对于不同的光强敏感度不一样。只有选择合适的波长范围，才能观察到明显的吸收现象。本文选择1392 nm的波长作为水分子检测的中心谱线。

2.3 真空度的计算反演

在系统选定之后，分子的散射截面以及介质长度即确定下来。通过吸收测量出分子数密度，利用理想气体公式即可推出气体压强。真空玻璃内气压的计算公式的推导过程如下。

基于光共振吸收原理测量真空玻璃真空度依据的核心原理是，比尔—朗伯定律，即当特定范围内波长的激光穿过待测气体，由于气体的受激原理，激光会产生衰减，而衰减的量与气体的分子数成正相关，因此，我们可以通过衰减的光强反演出气体浓度[3]。式子如下。

定义水分子的共振横截面为：

其中Г为激发态自发辐射率，ω为原子基态与激发态的频率差，Is为饱和光强，为约化普朗克因子。当饱和因子s=1时，饱和光强为：

可由式子（1）和（2）化简得：

因真空中折射率n=1，故此时：

考虑多普勒效应，

由此可得：

因为理想气体状态方程为：pV=nRT，

可得到最终的表达式：

3 实验系统分析

3.1 系统光路设计

3.1.1 设计原理

虽然真空玻璃随时间会放出一定的水蒸气，考虑到真空玻璃内层体积狭小且薄，实际上水蒸气的量是十分微弱的。为了使测量更为精确，基于积累和放大的实验原则，我们设计了多次反射来加长光程，最终光程达到13米，从而提高测量的精确度。

3.1.2 原件选取

在搭建本实验的装置模型时，需要考虑以下问题：

（1）入射光斑的大小适中，且具有较好的平行度，需要添加准直器进行调节。

（2）考虑反射带来的光能损耗，如何做到多次反射但损耗极小。

综合考虑上述问题，本实验的激光由单模光纤引出，经由准直器再入射到待测气体，反射的玻璃采用定制的玻璃，1392 nm的激光在此种材质的膜表面可达到99.9%的反射率，中心波长照射高反膜的反射率在入射角从零变到一个相当大的范围时仍然保持高反膜的性质，控制入射角小于40°，可减少因反射而造成的光能损耗。

3.2 系统装置分析

本次实验采用TDLAS型气体检测系统。通过波长调制技术对激光器进行驱动，穿过待测气体，最后用光电探测器提取信号，将信号通过前置放大器和锁相放大器，进行二次谐波的提取，最终可以计算出穿过气体后的光强。图1为实验装置示意图。

图1 装置设计图

3.2.1 可调谐二极管激光仪器

本实验选取了型号为DFB的可调谐二极管激光仪器，此仪器集激光驱动和接收解调于一体，可发射中心波长为1392 nm的激光，同时将光电探测器接收到的信号送回上位机进行实时二次调制，计算吸收波峰的光强。

3.2.2 激光驱动信号

为实现由水蒸气的浓度反演计算出真空玻璃真空度的要求，选定了可以稳定输出1392 nm波长的可调谐半导体激光器，可通过控制工作温度驱动电流从而改变其输出波长。在本系统中，激光主控制器产生锯齿波信号和正弦信号，叠加后驱动激光二极管，同时将参考信号输入锁相放大器，用于后期的二次谐波的提取。

3.2.3 激光接收

穿过待测气体的激光最终被光电探测器接收，这种型号的光电探测器具有精准快速的优点，可以实现较为理想的光电转换。

3.2.4 激光调制

接收激光后会送至前置放大器将电流信号放大，再送入锁相放大器与参考信号进行对比，进行二次谐波的提取。通过实时观察一次谐波和二次谐波的图像，调整参数，以得到最符合的波形。实验过程中，可调整以下参数改变波长和频率：（1）工作温度：改变工作温度可小幅改变输出波长；（2）驱动电流：可设置最大驱动电流和最小驱动电流，从而改变输出的中心波长和波宽；（3）波的峰峰值：（4）扫描速度：改变单位时间内扫描电流的次数，获取更多的数据。

4 实验结果与讨论

4.1 激光输出测试

调节上位机的最大电流和最小电流以输出合适稳定的波长，观察示波器波形是否符合实验的要求。

4.2 检测结果测试

按照装置图连接好光纤、光路、前置放大器、光强输入等各部分器件，调节上位机控制输出的中心波长。将上位机模式调至二次谐调模式，调节相位差，可得到一次谐调（绿线）和二次谐调（灰线）的波形见图2。

图2 谐调波形图

4.3 实验结果

4.3.1 真空度的计算

由于目前无法在真空玻璃中搭建太长的光路，因此我们将实验室的温度和湿度调到（20℃，80%），用实验室的环境来模拟真空玻璃内部水蒸气的环境，并使得光程达到13米。

表1 实验结果

通过测量水蒸气浓度，反演推算大气压强为143 kPa，相比于标准大气压的101.325 kPa，百分误差为41.6%。

当真空玻璃中的真空度完全损失时，其内部压强与大气压强相当，合格的真空玻璃真空度＜10-4kPa,与大气压相差6个数量级，通过此方法测量真空玻璃真空度具有可行性。

4.3.2 光程对样品压强测量误差的影响

考虑到光程对测量误差的影响，多次改变光程并计算压强和百分误差。从图3可以看到，随着光程的增加，测量的百分误差逐渐减少，但由于受到光斑线度的影响，光程不可能无限地增加，所以在有效的光程内，增加光程可以提高检测的准确度。

图3 光程与误差趋势图

4.4 检测结果分析

本实验存在着以下的误差：

（1）激光仪器存在仪器涨落，输出的波长是涵盖吸收峰的一小段范围，但实际上，波长改变0.0001 nm则会引起吸收截面超过10-2的改变，这会造成测量误差。

（2）在计算时未考虑水蒸气的分压，由于水蒸气的分压现象也会引起一定程度的误差。

（3）由于光斑聚焦的约束，光程难以达到理想的范围，长光程测量可以减少误差。

但值得肯定的是，虽然存在着一定程度的仪器误差，我们仍然可以得到在可接受误差范围内的测量结果，说明通过此方法进行测量真空玻璃的真空度是可行的。

5 结语

针对现有常用的测量真空玻璃真空度方法中存在的不能满足测量速度快、测量精度高、测量效果好等不足，本实验基于光共振吸收原理，提出了一种测量真空玻璃真空度的新方法。通过自行设计和搭建实验平台，测量水蒸气的浓度，进而反演推算出压强大小。根据上述实验结果可知，通过测量入射光强、出射光强就可以根据反演公式得出压强大小，这充分说明了利用光共振吸收原理的真空玻璃真空度测量理论的实际可行性。此外，随着光程的增加，测得的光强精度也相应增加，与预期相同，验证了理论的准确性。因此，实验结果表明了该方法具有理论可行性，日后在真空玻璃的设计中可以增加高反膜以便于后期检测，可以推广到社会生产，应用到实际检测中，具有较大的应用前景。