第35卷，第10期 2015年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.35,No.10-pp2792-2796
October,2015
光反馈腔增强吸收光谱技术的痕量乙烷检测研究万福，陈伟根：顾朝亮，邹经鑫，杜玲玲，漆薇，周渠
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044
摘要乙烷是电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一，其高精度、高灵敏度检测是进行油中溶解气体分析的关键。基于光反馈原理及股增强吸收光谱技术，结合量子级联微光器，建立广一套变压器油中溶解乙烷气体检测系统。基于腔内单腔模对称理论，通过LabVIEW编程来实现反馈光与腔谐振的相位匹配。研究并实现广光学反馈效应（微光将在延迟一定的时间后，返回微光腔并锁定股模式共振频率）、偶数和奇数模式效应(交替出现强度较大和较小的腔模式）、激光器阅值电流降低效应（约1.2mA)。利用腔衰荡光谱检测技术测得的系统有效反射率、腔品质因素分别为99.978%和7138.4，系统光谱分辨率达到0.0052 cm-1。标准大气压、温度20℃下，1s的积分时间内，对乙烷"Qs吸收线进行检测，系统检测准确率及检测极限分别达到95.72%土0.17%和(1.97士0.06)X10-3=L·L-1，满足了变压器油中溶解乙烷气体检测的需要。
关键词腔增强吸收光谱技术；光学反馈；乙烧；溶解气体分析
中图分类号：0433
引言
文献标识码：A
DOI;10. 3964/j. issn. 1000-0593(2015)10-2792-05
检测灵敏度，腔增强（cavityenhanced，CE）技术被用来增加气体吸收路径长度。同样，在光谱扫描过程中，光学反馈效应有利于把串级激光器的频率锁定在光腔模式TEMo上，使
电力变压器是输配电系统中的核心、，对电力系统的可靠性有着至关重要的作用。通过溶解气体分析(dissolvedgasa-nalysis，DGA），可以判断变压器不同类型的故障，DGA已经成为国际社会普道认可的变压器早期故障检测的一种有效诊断技术。乙烷(CzHs)是油浸式电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一，其高精度、高录敏检测是实现DGA 的基础1.2]。基于近红外激光的探测技术以其不消耗样气和载气、高选择性和高准确度的特点，被产泛应用于气体检测领域3，勺。然而，通常的半导体激光器只能覆盖可见和近红外波段的波长范围，而气体分子在此波段的吸收通常是由泛频跃迁引起的，其吸收谱线强度要比位于中红外波段的基频吸收谱线强度低2～3个数量级5.6]。因此，在中红外波段应该能够获取更高灵敏度气体的吸收光谱测量。近些年，随着科技的发展，量子级联激光器（quantumcascadelaser，QCL）在冷却或者常温条件下，能输出具有较好单模特性且功率达到儿十mW的中红外波段激光，非常适合气体的中红外吸收光谱检测[78]
建立了一套高灵敏度的油中溶解气体乙烷的光学检测系统，该系统由虚拟仪器LabVIEW自动调节控制。为了提高收稿日期：2014-06-21，修订日期：2014-11-19
腔模式更加稳定。系统光谱分辨率达到0.0052cm-1，利用腔衰荡光谱技术测得了系统的腔衰荡时间为7.52us，进而得到系统有效反射率、腔品质因素分别为99.978%和7 138.4。通过实验，论证了腔模式中偶数和奇数模式效应、激光器阅值电流降低效应。以乙烷PQ:吸收线为研究对象，实现了对200×10-"uL·L-"乙烧气体的高精度、高灵敏度检测：标准大气压、温度为20℃，1s的积分时间内，检测相对误差不超过4.28%土0.17%，系统检测极限达到（1.97土 0. 06)X103μL L1
1光学反馈基本原理
如果能恰当地选择、控制激光器与光学谐振腔的距离，激光将在延退一定的时间后，返回激光腔，称为光学反馈（opticalfeedback，OF）"]。当激光器开始共振于反馈光的频率时，激光频率锁定现象将发生，这有助于建立稳定的腔模式，增加微光的注人效率并能使谱线宽度缩小到腔模线宽以下。由于耦合激光频率，V，受腔谐振影响，其不同于自由激发频率，M，可表示为10]
基金项目：国家创新研究群体基金（51321063），国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ160007)资助
作者简介：万福，1987年生，重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室博士研究生
e-mail : wanfuhappy@ 163, con