基于近共心腔的氣體拉曼光譜增強方法研究.pdf

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

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

3、，側向散射強度最弱。但是一般情況下需要根據二階極化率對散射強度進行修正。在此基礎上對近共心腔的信號增強效果進行理論分析。采用近共心腔的目的就是使激光多次在腔內反射，在腔中心附近聚焦，通過增強激發(fā)光強度來提高拉曼散射強度。并對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）增強效果進行對比，理論上近共心腔直線型增強效果最好。
　?、诖罱ㄒ惶谆诮残那粴怏w拉曼光譜系統(tǒng)。對實驗中的可變參數（信號收集角度、透鏡焦距等

4、）進行優(yōu)化，實驗證明：收集角度與激光光束夾角越小，收集到拉曼散射信號強度越大；在一定范圍內增大收集透鏡焦距，收集到拉曼信號強度也隨之增大。在此基礎上對三種多次反射模式的增強效果進行驗證，實驗結果符合理論分析結論，近共心腔直線型的增強效果最好，其拉曼光譜強度增強70倍左右。
　?、蹖诮残那坏臍怏w拉曼光譜增強方法評估。搭建了一套基于后向收集拉曼光譜氣體探測系統(tǒng)，在所有條件（CCD積分時間、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與近共心腔增強裝置收集到的拉曼信號進行對比，以此評估近共心腔裝置的增強效果。以空氣中氧氣和氮氣為探測物，分別對兩系統(tǒng)所采集光譜的信號強度、信背比和信噪比進行對比。實驗結果證明兩系統(tǒng)采集拉曼信號相比，近共心腔系統(tǒng)要在信號強度上增強5倍左右，噪聲強度減小一半，因此近共心腔系統(tǒng)的探測限提高約10倍左右。
　　最后，在總結了上述工作的基礎上，對工作中存在的缺憾和不足進行分析，并對今后工作進行了展望，總