1微米波段水分子高分辨率吸收光谱特性研究

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水分子在近红外的吸收光谱主要由分立谱线组成的吸收谱带和在这些谱带之间分布的大气窗口区构成。对于激光大气传输而言,虽然这些窗口波段对于光线的透过率较高,但仍会受到水分子弱吸收的影响,导致高能量激光大气传输过程中出现衰减效应和热晕效应,影响激光大气传输效率以及光斑质量。水分子作为1 μm大气窗口区域最主要的吸收,其吸收谱线参数的准确获取是遴选光源光谱范围,提高大气传输效率的基础科学依据。这些吸收光谱参数通常可在HITRAN、GEISA等数据库中查找。目前,HITRAN和GEISA数据库中1μm波段水分子的光谱参数主要由理论计算和实验测量得出,并成为光电应用和光谱分析的主要数据基础。然而,对比HITRAN2020和HITRAN2016可以发现1 μm波段水分子吸收光谱参数多数发生了较大变化,因此,水分子高分辨率吸收光谱参数的测量工作仍有必要开展。此外,实验中Voigt线型不再能够满足高分辨吸收光谱的需求,也需要更精密的光谱线型来处理这些吸收光谱。论文针对光电工程对高分辨率吸收光谱参数的应用需求,以直接吸收光谱技术为基础建立了 1 μm波段的长程吸收光谱测量装置,开展了该波段水分子的高分辨率吸收光谱参数的测量研究。论文的主要工作如下:1、基于窄线宽(约100 kHz)宽调谐范围(约90nm)的外腔半导体激光器(External Cavity Diode Laser,ECDL)和双光程吸收池设计并搭建了一套1 μm波段高分辨率吸收光谱测量实验装置,基于该装置开展了 9152.5356 cm-1处水分子高分辨率吸收光谱测试,获得了该跃迁频率下水分子吸收谱线强度以及自加宽系数。该测量结果与HITRAN数据库相关数据具有较好的一致性,验证了实验装置的可靠性和准确性。2、基于1 μm高分辨率吸收光谱实验测量装置,对水分子的高分辨率吸收光谱进行了系统测量,获得了 9090~9900 cm-1范围内119条水分子吸收谱线的线强和自加宽系数。通过将实验所得线强与HITRAN2016数据库数据进行对比,发现处于4v2+v3振动带(9650~9900 cm-1)的水分子跃迁谱线偏差较大,由于HITRAN2016数据库中该振动带数据的相对不确定度多数处在10%~20%,推测HITRAN2016数据库中的相关数据存在高估。这一结论也在最新的HITRAN2020数据库中得到验证。3、利用1 μm高分辨率吸收光谱实验测量装置并结合光纤传输系统,测量了 9090~9750 cm-1范围内水分子的吸收光谱,并基于二次速度依赖Voigt(quadratic Speed-Dependent Voigt,qSDV)线型和 Voigt 线型分别获得了水分子在v1+v2+v3、v2+2v3、3v2+v3和4v2+v3跃迁谱带范围内31条吸收谱线的线强、自加宽以及空气、氮气和二氧化碳加宽系数并与HITRAN数据库以及其他工作小组数据进行比较,测量值与HITRAN数据库和其他小组数据在总体上具有较好的一致性。此外,对比了 qSDV和Voigt两种线型对吸收光谱参数反演的差异,发现基于qSDV线型拟合的残差标准差相比于基于Voigt线型的缩小了近4倍,且在残差中无明显的“W”形精细结构,论证了在相同条件下qSDV线型比Voigt线型具有更高的峰值和更窄的线宽,能够对吸收光谱实现更高的拟合优度。
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