大气污染物SO2的光声探测

以波长为266nm的激光为激发光源,采用脉冲光声光谱技术,用自制的光声探测装置对SO2分子的光声吸收特性进行了实验研究,获得了室温、665Pa气压的实验条件下声音在SO2气体中的传播速度.通过测量光声信号随实验条件的变化发现,光声信号强度随激光能量的增加而增大,随缓冲气体压强升高而增大,缓冲气压增加到约2.66×104Pa时出现饱和现象.在标准大气压情况下,测量了痕量SO2气体的浓度,采用这套光声探测装置,SO2气体探测灵敏度可以达到9.1×10-6.     

气体纯度和气压对电子束激励氩中 309nm光谱的影响

利用相对论电子束装置激励氩气,研究了气体纯度和气压对309 nm光谱的影响.309nm谱区曾被认为来源于杂质H2O,然而改变气体纯度的实验表明,增加气体的纯度,不仅没有使309rnll的光谱强度减弱,其强度反而明显增加.这与该谱区来源于杂质相矛盾.改变气压的实验表明,309nm的光谱强度随气压变化曲线在0.08MPa处存在极大值.并且当气压在0.1～0.2MPa变化时,光谱强度的变化很小.该实验结果表明,309nm光谱不是来源于氩准分子或离子准分子的跃迁.因为准分子或离子准分子的主要形成过程是三体碰撞过程,气压的升高对该反应有利.     

基于超窄线宽激光器的多气体光声光谱检测研究

针对多组分痕量气体检测中精确度差、灵敏度低等问题,设计了基于光源波长扫描技术的光声光谱式多组分痕量气体检测系统。系统采用单一超窄线宽半导体激光器作光源,设计了一阶纵向共振式多光程吸收光声池,通过正弦信号对光源波长进行调制,并结合二次谐波信号检测技术和超窄线宽激光特性,有效地消除了吸收池内的背景噪声和光源抖动的影响,实现...     

C2H4,NH3及C3H6的脉冲激光光声谱

本文用光声法检测了9.2～10.8μm波长范围内C_2H_4、NH_3及C_3H_6分子对CO_2激光的吸收特性,获得了这三种气体分子的单脉冲激光光声光谱,测量了光声信号随实验参量(样品气压、激光能量)的变化关系,用光声法获得了样品气体中的声速及各种气体分子的V-T驰豫时间。     

差动式光声检测及其应用

本文介绍了差动式光声检测技赤，设计出了适于这种检测的光声池。差动式光声检测就是采用两个性能基本一致的光声池串联地放在同一光路上进行检测.前面的光声池称为B池（参考池），后面的光声池称为A池（样品池）。为了消陈光声池的本底信号，利用A池本底信号减去B池本底信号，通过调节电路的差动式方法，使（A～B）池本底信号趋于零. 利用差功式检删技术，在CO2激光发射波长内测定了各种红外窗口材料及某些气体的吸收系数、硅烷磷烷的激光光声光谱及缓冲气体对光声信号的影响等。     

缓冲气体压力对铷原子吸收特性的影响

铷原子吸收线宽很窄,通过充入定量缓冲气体,可以加宽铷原子的泵浦吸收线宽,从而可以提高铷原子对泵浦光的吸收效率。通过计算模拟,找到入射泵浦光谱宽、入射泵浦强度和缓冲气体压力之间的对应关系,找到最佳的实验工作条件,最终实现铷原子对离泵浦中心频率一定范围内的泵浦吸收效率很高,同时保证在泵浦谱宽范围内的总泵浦吸收效率也很高。模拟结果显示：随着缓冲气体压力的增大,铷原子吸收线宽不断增加,但是泵浦光的总吸收效率下降的并不明显。     

基于光声光谱法的光纤气体传感器研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号 ,讨论了光纤中光波的相位变化与光声信号的关系。设计了光学长程结构 ,有效增加了对光功率的吸收。用染料激光器作光源对SO2气体浓度进行测量。实验表明 ,最低检测灵敏度可达 1 2× 10 -10 。由于采用光谱技术与光纤技术相结合 ,使研制的传感器具有较高的灵敏度 ,信号的传输通道具有强的抗电磁干扰及防燃防爆能力。气体探头体积小 ,响应速度较快。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求     

一种纵向共振光声池谐振频率测量方法

为了快速准确测量共振光声池的谐振频率，采用基于共振声谱的光声池谐振频率测量法，搭建了光声光谱检测系统和共振声谱检测系统。对影响测量准确性的因素进行了实验分析。在不同气体体积分数的情况下，分别采用共振声谱法和光声信号强度标定法测量光声池的谐振频率。结果表明，共振声谱法测量的光声池共振频率与声信号激励电压、声源传播距离及角度无关；在5种不同体积分数的乙炔气体条件下，所测得的光声池谐振频率与通过光声信号强度法的结果最大偏差为1.1Hz，可认为两种方法测量结果具有一致性。该方法简单快速、可靠和准确，可用于确定光声池谐振频率。     

红外激光光声光谱气体传感谐振腔分析

设计制作了适合中红外激光光声光谱气体检测用的圆柱形光声腔,采用有限元法对其声信号的传输和探测进行了模拟分析并与实际测量结果进行了系统的比较.结果表明此光声腔中的二阶纵模在4.2KHz附近具有最大的共振幅度和适中的Q值,十分适合中红外光声光谱气体传感应用.     

缓冲气体对光泵远红外激光器能量交换的影响

基于分子振动弛豫的理论,完善了缓冲气体的作用模型。利用半经典密度矩阵理论与量子力学理论,研究了缓冲气体对光泵远红外激光(FIR)激光过程的作用机理,计算了缓冲气体作用下小型光泵FIR激光器的能量交换过程以及气压等工作参数对输出光强的影响,得出了优化规律,并进行了实验验证。结果表明,适当的缓冲气体可缩短工作气体分子的振动弛豫时间,提高光泵FIR激光器的能量转换效率,使FIR激光信号得到更大的输出。在最佳混合气体比例与最佳工作气体下,可以获得最大的FIR激光信号输出。     

泵浦激光频率漂移对光声稳频信号的影响

在CO2激光泵浦的气体太赫兹源中,泵浦激光的频率稳定性控制问题十分关键。针对基于光声效应的泵浦源稳频技术,理论分析和数值模拟了光声信号的探测条件(光声腔内气压、传声器灵敏度等)对微弱光声信号检测的影响,进而对探测条件进行了优化。在此基础上,进一步分析了泵浦激光频率在气体吸收谱线中心频率附近漂移时光声信号的变化规律。结果表明:在实际工作中,为了实现高精度的稳频,需要将光声腔的气压控制在低压范围内,并采用高灵敏度的光声传感器;当泵浦激光频率产生漂移时,利用探测到的微弱光声信号通过反馈系统可以精确地改变激光器的腔长,以实现高精度的光声稳频,且频率漂移范围可控制在MHz量级以内。     

基于组合激光光源的双组分微量气体检测系统

CH₄和C₂H₂是变压器发生故障时两种重要的特征气体。为了实现对变压器中溶解的微量CH₄和C₂H₂气体含量检测的需求, 采用激光光声光谱气体检测技术, 通过分析CH₄和C₂H₂气体的近红外吸收谱线, 选取合适的激光光源并确定激光调制参数; 设计并搭建了一套以双激光光源和非共振光声池为核心的光声光谱微量CH₄和C₂H₂气体检测系统, 获得了系统对CH₄和C₂H₂气体检测灵敏度和低含量检测误差。结果表明, CH₄和C₂H₂气体分别在体积分数为0~1000×10-6和0~500×10-6的范围内具有良好的线性响应, 每10-6体积分数的检测响应度分别为5.8969μV和16.1831μV; 在低含量CH₄/C₂H₂混合气体对系统的重复性和精度测试中, CH₄气体体积分数为3.00×10-6时的检测最大绝对误差为0.30×10-6, C₂H₂气体体积分数为0.50×10-6时的检测最大绝对误差为0.20×10-6。此研究结果满足测量误差的技术指标要求, 实现了对微量CH₄和C₂H₂气体的高灵敏度检测。     

随机共振瓦斯微弱信号检测方法研究

为了解决检测煤矿复杂环境中的瓦斯信号时易受周围噪声干扰以至微弱信号被掩埋或产生异常数据的问题,提出一种基于随机共振的微弱瓦斯信号检测方法。采用欠采样原理对大频率信号尺度变换及粒子群算法优化系统结构参量,对大参量微弱信号在随机共振系统中的共振效果进行了理论分析和研究。结果表明,该方法可以以较低的采样频率,自适应地达到较好的共振效果;可有效地滤除噪声并增强系统辨识微弱信号的灵敏度以及信号检测的动态范围。该研究为瓦斯突出信息的早期辨识提供了一定的理论依据。     

Buffer structure optimization of the photoacoustic cell for trace gas detection

The equivalent four-pole network model is used to simulate one-dimension longitudinal acoustic resonator with different buffer diameters and lengths, aiming to reach a theoretic model which is able to estimate the optimal buffer geometry. In experiments, the buffer volumes are decreased gradually by filling a set of aluminum rings with different inner diameters and lengths into the buffers to get the desired dimensions. The experimental results show that the average deviation of 1.1% is obtained between the experimental results and the theoretical simulation at the buffer length of 30 mm. Experiments show that the minimum background signal occurs when the buffer length is equal to a quarter of the acoustic wavelength (λ/4). The amplitude of the photoacoustic signal is barely influenced when d _buf>3d _res. Considering that oversize of photoacoustic cell needs more measuring gas and more material, the buffer diameter can be deduced to d _buf≈3d _res. Therefore, smaller photoacoustic cell is desirable.     

缓冲气体对循环流动铯蒸汽激光器气体温度分布和输出特性的影响

为研究缓冲气体对循环流动半导体泵浦碱金属蒸汽激光器（DPAL）气体温度三维分布和输出性能的影响,将光束传播方程引入循环流动DPAL理论模型,仿真分析了高功率泵浦情况下缓冲气体配比和压强对端面泵浦横向流动铯蒸汽激光器（Cs-DPAL）输出性能的影响,获得了蒸汽池内工作气体温度的三维分布和对应的输出功率。结果表明,使用纯烷烃作为缓冲气体时,相比于CH₄,相同压强的C₂H₆对应的蒸汽池内温度更低,激光输出功率更高;使用烷烃气体和惰性气体的混合物作为缓冲气体时,若烷烃的压强较低,加入适量的He或Ar可降低蒸汽池内温度并提升激光输出功率。     

移相自平衡激光吸收光谱技术的研究

为了提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)直接吸收技术的检测灵敏度,解决自平衡探测技术需要两条环境接近的光路而造成的适用性差的问题。采用了一种移相自平衡吸收光谱技术,该技术将信号经过滤波、放大和移相后,两个相差180的信号经过反演就可提取出吸收信号,再对吸收信号及代表光强的直流分量信号进行数据处理便可测得气体浓度。分析显示移相自平衡吸收法能解决自平衡吸收法不能适用于同光路检测的原理性缺陷。结果表明,移相自平衡吸收光谱技术对信号的微小变化具有较高的灵敏度,信噪比也比直接吸收法提高了8倍～9倍,更适用于开放光路情况下的气体探测。为TDLAS在长距离气体检测领域提供了一个有效的高灵敏度探测手段,具有广泛的应用前景。     

线型离子阱不同缓冲气体对汞离子的冷却效果研究

缓冲气体冷却是将离子阱中的离子云冷却的最有效和实用的办法,但缓冲气体的种类和数量是汞离子微波频标实验的关键技术。通过在马修方程中引入阻力项的方法,研究了线型离子阱中氦气、氖气、氩气对囚禁的汞离子的冷却效果,得到在氩气中汞离子运动的衰减时间是最短的。还研究了为使钟跃迁（40.5 GHz）的频率移动最小,所需氦气的压强为10-5 Torr,氖气的压强为2.4×10-5 Torr。考虑到缓冲气体对汞离子的冷却效率和对气体压强的敏感性,氖气要比氦气、氩气更适合作缓冲气体。     

Optimization of the Acoustic Pressure Distribution in a Resonant Photoacoustic Cell

The size of a cylindrical photoacoustic cell with suitable size was selected so that the resonant frequency of the first radial mode was equal to that of a longitudinal higher mode. By maintaining two thin coaxial tubes at each end, a enhanced photoacoustic cell was constructed with two tubes of 1/2 and 1/4 of the wavelength. In this enhanced photoacoustie cell, both the first radial resonance and the higher longitudinal resonance were excited adequately. Coupling of two acoustic modes makes the acoustic energy concentrating in the middle of the cell. The surface loss was decreased, the acoustic quality factor and pressure amplitude increased obviously as compared with conventional cylindrical cell.