高重复频率可调谐TEA CO2激光研究

以研制平均功率千瓦级的实用化高重复频率可调谐TEA CO2激光器为目标，分别研究了注入锁定、低锐度法布里一珀罗(F-P)耦合腔、光栅选线等三种调谐方法。利用光栅选线的方案，采用光栅谐振腔，实现了平均功率千瓦级的高重复频率TEA CO2激光调谐输出。激光器输出10P(20)，10R(20)，9P(20)，9R(20)线的脉冲能量分别为5．8J，5．8J，5．5J．5．6J，重复频率200Hz，光束远场发散角为1．66mrad(水平)与1．43mrad(竖直)，约为2倍衍射极限。     

基于卡尔曼滤波的激光光谱CO2监测算法研究

目的:为了进一步抑制光谱干扰对可调谐二极管激光吸收光谱技术测量结果的影响.方法:基于搭建的可调谐激光光谱技术气体监测系统,对CO2标准气体进行了实验分析.在最小二乘法的基础上,提出了采用卡尔曼滤波算法进行建模并预测的方法,并以此预测了CO2气体的浓度.结果:与采用卡尔曼滤波算法前相比,预测值和参考值的相关系数由0.9961增大到0.9999,预测均方根误差由0.1％减小至0.0034％.结论:该方法用于TDLAS技术中,可以实现气体的准确测量.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS）技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。     

可调谐半导体激光光谱火灾气体探测系统

基于火灾特征气体检测的火灾报警技术被认为是一种有着广阔前景的火灾早期探测手段,特别是利用光学吸收方法的火灾气体探测技术,除了能够提供高灵敏、低误报率的火灾报警外,还能够实现火灾的早期预警.提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的火灾气体高灵敏实时检测系统,采用光通信波段光纤耦合近红外分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,利用两台激光器结合调制频率多路技术实现了火灾标志性气体CO,CO2的同时检测,对CO的最低检测限约为0.00375 mg/m3(3σ),能够满足火灾气体现场检测的需要.     

基于可调谐二极管激光光谱技术的火焰CO2浓度检测方法研究

研究了基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的火焰CO2浓度检测方法,确定了TDLAS二次谐波检测在高温环境下的浓度反演方法,并在实验室通过静态吸收池进行了验证,为TDLAS遥测系统应用于工业燃烧测量打下了基础.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱对CO2浓度的测量

CO₂作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带来严重影响,因此开展CO₂的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO₂位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演出CO₂浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究为今后的仪器小型化和外场CO₂长时间监测提供了基础。     

可调谐TEA CO-2超辐射激光器初步研究

通过实验对可调谐TEACO2超辐射激光器的特性进行了研究,从理论上对此超辐射的输出强度、线宽和脉宽进行了粗略估算与分析。     

可调谐TEA CO2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值.TEACO2激光器工作在9～μM的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内.高重复率可调谐的.TEACO2激光器的研制已成为C02激光差分吸收雷达的关键技术.差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式.早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用.随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器.这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化.利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEACO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性.激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化.根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出.设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1w,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区.单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10ms.采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔.TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEACO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ.工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出.激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条.强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ.经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出.     

可调谐二极管激光光谱技术测量燃烧环境下H2O浓度的实验设计

水蒸气是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,对其浓度进行测量具有重要的意义.在已有理论基础上推导选择了最佳的拟合线型函数(Voigt线型),结合HITRAN数据库选择了在实验室现有条件下理想的吸收线.理论分析了用两条相邻吸收线的线强比计算温度的可行性,在此基础上建立了一套基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的实验装置,为进一步实验打下了良好的基础.     

双波长可调谐TEA CO2激光器的脉冲输出特性

为了获得两束波长不同的可调谐CO2激光脉冲,采用了双光栅与输出镜构成双谐振腔的结构没计。实验中,对影响激光器脉冲输出能量和调谐范围的参量作了具体分析。结果表明,两个谐振腔可以独立振荡输出不同波长的两束激光,二者之间不存在竞争影响,并且均可在大范围内调谐输出;通过对两个光栅做小幅度失谐调整,可以实现两束激光脉冲同步输出。     

可调谐近红外半导体激光光谱仪的研究

为满足高灵敏度探测的需要,研制了可调谐近红外半导体激光光谱仪.本光谱仪集成了光学、机械、电子、计算机,实现了高度的集成,初步的实验结果表明,其可满足实验室的实验需要和外场实验的需要.本光谱仪可以用于汽车尾气排放、泄漏气体探测、燃烧过程控制、温室气体测量和大气测量.     

可调谐激光吸收光谱技术监测燃烧中CO检测方法比较

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析.TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,分别利用二次谐波探测方法和自平衡加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯火焰的CO浓度.测量结果表明,自平衡加波长调制的新型检测方法与二次谐波检测方法相比,不仅使检测限提高了16.3倍,还有效地消除了激光器、火焰的光强波动影响,可以应用在燃烧控制及喷焰气体CO浓度测量等多个领域.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO检测仪设计

为了能够实时检测出矿井下一氧化碳(CO)浓度,减少煤矿中毒事件,设计了采用可调谐半导体激光器的CO检测仪。采用波长调制光谱(WMS)与可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)相结合的气体检测技术,将检测信号从低频区域搬到高频区域,然后采用相关技术完成谐波信号的提取,从而检测出CO浓度。实验结果表明,检测下限达到12ppm,能够检测矿井下CO浓度。     

光谱线宽对可调谐激光调制吸收光谱技术测量CO2浓度的影响

在利用可调谐激光调制吸收光谱技术进行测量时,气体参量改变将导致线宽变化,从而影响二次谐波信号峰值的大小.针对于Lorentz线型,给出了线宽变化对二次谐波峰值影响的理论分析及利用二次谐波信号峰谷比值进行修正的方法.在10 cm的吸收池内利用1578.22 nm处的吸收谱线对CO2进行了测晕,在不同调制幅度下验证了不同工况中线宽对二次谐波信号的影响.结果表明,利用二次谐波峰谷比值确定调制系数进行修正可有效地减小由于工况改变时线宽变化对测量带来的影响,当压力由1.0×105Pa变化至1.5×105Pa时,修正前后的测量相对误差分别为34.3%与1.8%;当气体体积分数在20%～100%变化时,修正前后的平均误差分别为12.8%与1.8%.     

硫系化物悬吊芯光纤产生温控可调谐超连续谱

设计了一种以高非线性三硫化二砷(As2Se3)作为纤芯、以温敏材料甲苯填充包层的悬吊芯光纤,并提出了一种产生可调谐超连续谱(SC)的方法。通过全矢量有限元法数值模拟了光纤中传输光的色散和非线性特性,利用非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法分析了在甲苯临界温度为-90~110℃范围内产生的SC,并进行了结构参数和泵浦参量的优化;引入光谱平坦度(SFM)的概念,对模拟产生的SC进行定量分析。研究发现,当光纤纤芯直径为3μm时,利用中心波长为3.1μm、峰值功率为20 kW、脉冲宽度为300 fs的泵浦源可在临界温度下实现1.20μm光谱宽度的调谐;随着可调谐光谱宽度的增大,SFM略有下降,SFM的取值范围为0.89~0.92,这说明SC保持平坦。产生的可调谐SC在物质探测、光谱学和环境分析等领域具有广阔的应用前景。     

采用扫描振镜方式的快调谐TEA CO2激光器

为了研制适用于激光差分吸收雷达(DIAL)的可调谐横向激励大气压(TEA)CO2激光器,利用六温度模型速率方程理论,分析了TEA CO2激光器的动力学特性,计算了激光器的各种输出特性.设计研制了一台高重复频率快调谐TEA CO2激光器,采用共振扫描镜扫描固定光栅的方案实现了激光的快调谐输出.当激光器高重复频率运转时,得到弱支谱线如10P(42)~10P(48)支谱线基横模能量大于100 mJ,脉冲宽度小于100 ns.10P(46)支谱线的远场发散角为2.41 mrad(水平),2.27 mrad(竖直),约为1.6倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms内快速切换输出.     

近红外激光吸收光谱测量火焰中CO2气体浓度

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被测气体特征吸收光谱范围内的吸收光谱,实现气体的定量分析.这种方法具有高灵敏、高选择性、快速响应、在线测量等诸多优点.介绍了利用TDLAS技术测量火焰中二氧化碳浓度的实验方法,并对消除燃烧中气体湍流造成光强波动的方法进行了研究,得到了较理想的结果.     

基于半导体激光吸收谱的在线CO和CO2浓度同时测量技术

优选了中心频率分别为6338.5895cm-1和6337.99cm-1的CO和CO2吸收谱线,使用一个激光器扫描经过该对谱线,在搭建的实验系统上实现了对CO和CO2的同时测量,实验结果表明,基于半导体激光吸收谱(DLAS)的CO和CO2检测下限分别为3σ=0.042%和3σ=0.022%,CO和CO2的线性相关系数分别为0.9999和0.9996,CO和CO2相互间干扰小于1%。现场测量结果表明,该技术能够较好地满足工业过程、机动车尾气和环保等的CO和CO2浓度同时测量的需要。