基于近共心腔的氣體拉曼光譜增強(qiáng)方法研究.pdf

1、在油氣勘探中，氣測(cè)錄井是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，氣測(cè)錄井的速度和精度，直接影響到對(duì)油氣礦藏位置勘探的準(zhǔn)確性，因此發(fā)展一種快速、高精度的氣體探測(cè)方法，是提高氣測(cè)錄井速度和精度的關(guān)鍵。目前普遍應(yīng)用的方法是氣相色譜法，但是氣相色譜法探測(cè)周期長(zhǎng)，裝置復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)油層位置探測(cè)精確度不高。激光光譜方法是一種快速成分識(shí)別的方法，拉曼光譜和紅外吸收光譜探測(cè)周期為幾十秒，且現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的氣體（烷烴氣體、二氧化碳、氫氣等）都有相應(yīng)的光譜，但是與氣相色譜相比，拉曼光譜

2、技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)氣體探測(cè)仍面臨一些挑戰(zhàn)，最主要的是拉曼光譜探測(cè)靈敏度較低。本論文主要解決的問(wèn)題就是如何提高拉曼光譜氣體探測(cè)的靈敏度。本文針對(duì)于提高拉曼光譜氣體探測(cè)靈敏度發(fā)展了一套基于近共心腔的拉曼光譜強(qiáng)度增強(qiáng)的方法，主要完成了以下工作：
　?、倌M近共心腔對(duì)拉曼散射強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。首先對(duì)拉曼散射強(qiáng)度與散射角度之間關(guān)系進(jìn)行分析，研究表明，拉曼散射方向與激光入射方向夾角越小散射強(qiáng)度越大，即在前向和后向散射強(qiáng)度最大，約是側(cè)向散射強(qiáng)度的2倍

3、，側(cè)向散射強(qiáng)度最弱。但是一般情況下需要根據(jù)二階極化率對(duì)散射強(qiáng)度進(jìn)行修正。在此基礎(chǔ)上對(duì)近共心腔的信號(hào)增強(qiáng)效果進(jìn)行理論分析。采用近共心腔的目的就是使激光多次在腔內(nèi)反射，在腔中心附近聚焦，通過(guò)增強(qiáng)激發(fā)光強(qiáng)度來(lái)提高拉曼散射強(qiáng)度。并對(duì)近共心腔的三種反射模式（共心腔模式、近共心腔直線型和近共心腔橢圓型）增強(qiáng)效果進(jìn)行對(duì)比，理論上近共心腔直線型增強(qiáng)效果最好。
　?、诖罱ㄒ惶谆诮残那粴怏w拉曼光譜系統(tǒng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中的可變參數(shù)（信號(hào)收集角度、透鏡焦距等

4、）進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)證明：收集角度與激光光束夾角越小，收集到拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度越大；在一定范圍內(nèi)增大收集透鏡焦距，收集到拉曼信號(hào)強(qiáng)度也隨之增大。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種多次反射模式的增強(qiáng)效果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析結(jié)論，近共心腔直線型的增強(qiáng)效果最好，其拉曼光譜強(qiáng)度增強(qiáng)70倍左右。
　?、蹖?duì)基于近共心腔的氣體拉曼光譜增強(qiáng)方法評(píng)估。搭建了一套基于后向收集拉曼光譜氣體探測(cè)系統(tǒng)，在所有條件（CCD積分時(shí)間、單色儀狹縫寬度、收集透鏡焦距、激光器能量

5、等）相同的情況下，其所收集到的拉曼信號(hào)與近共心腔增強(qiáng)裝置收集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)估近共心腔裝置的增強(qiáng)效果。以空氣中氧氣和氮?dú)鉃樘綔y(cè)物，分別對(duì)兩系統(tǒng)所采集光譜的信號(hào)強(qiáng)度、信背比和信噪比進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩系統(tǒng)采集拉曼信號(hào)相比，近共心腔系統(tǒng)要在信號(hào)強(qiáng)度上增強(qiáng)5倍左右，噪聲強(qiáng)度減小一半，因此近共心腔系統(tǒng)的探測(cè)限提高約10倍左右。
　　最后，在總結(jié)了上述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)工作中存在的缺憾和不足進(jìn)行分析，并對(duì)今后工作進(jìn)行了展望，總