基于激光光谱差分法检测NO2

为了分析大气污染的主要污染气体之一的二氧化氮(NO2)的光谱与气体体积分数之间的关系,采用了中心波长位于NO2高吸收峰位置的激光作为检测光源,建立了光谱气体检测系统。根据朗伯-比尔定律,采用分时差分方法,结合权威数据库对比,并考虑光谱线宽度等因素影响,进行光谱分析,用最小二乘法进行数据拟合,取得了NO2吸收光谱与其体积分数的关系曲线数据,并进行了体积分数反演和误差分析。结果表明,实验结果与理论分析相吻合,验证了光谱检测对NO2检测的研究与应用价值。     

基于近红外波段激光光谱吸收的丙烷探测研究

为了对石油气挥发性有机化合物的主要成分进行实时监测,实现石油化工行业的安全生产,采用激光光谱分析技术、利用宽谱光源分析了丙烷在1686.00nm~1687.00nm波段的光谱吸收特征,获得了吸收系数随波长变化的洛伦兹线型,其半峰半宽为0.21nm。选择中心波长为1686.30nm的分布反馈式半导体激光器作为光源,在丙烷宽谱吸收峰范围内进行波长扫描,得到了一次谐波信号和二次谐波信号随丙烷体积分数的变化规律,并在丙烷的体积分数0.0050~0.0300范围内标定了二次谐波与一次谐波信号的比值与体积分数的线性关系。结果表明,实验系统有很好的稳定性与重复性,能够进行实时的丙烷在线检测。该研究为探测其它挥发性有机化合物气体提供了理论及实验参考。     

基于外调制激光差分检测NO2气体浓度研究

NO2是大气污染的主要污染物之一,是形成光化学烟雾与酸雨的主要因素之一。吸收光谱法是有害气体检测的重要手段与发展方向。本文采用差分方法,采用蓝光激光外调制,建立实验系统,进行NO2气体浓度定点和局部测量,使信噪比不受探测器、放大器及背景噪声的限制,可有效提高气体检测灵敏度。通过光谱分析,实验光谱与标准光谱拟合、浓度反演计算等数据处理过程,取得了较好的实验结果,验证了检测系统的有效件。     

基于TDLAS检测技术的甲烷体积分数场重建研究

为了实现对甲烷体积分数场的2维分布重建,基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）检测技术,以甲烷为目标气体,采用直接吸收的测量方式,探测了甲烷氮气混合气的吸收光谱信号,通过代数重建算法对甲烷体积分数进行了模拟重建和实验研究,模拟重建采用了6×6共36个方格的正方形重建区域,假定一个方形区域内具有空穴的体积分数分布,模拟24条光束从4个方向穿过重建区域,获取了模拟光线下的投影值。结果表明,经过重复实验统计均方根误差在2.58%,对模拟投影信号加入不同信噪比（5%,10%,20%）的高斯白噪声之后再进行重建,均方根误差分别在4.17%~9.30%之间;实验研究采取面源泄露式扩散方式,并通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造体积分数空穴,形成非均匀体积分数场,通过对放置障碍物前后的重建结果对比,能够看到在空穴位置有明显的体积分数下降。TDLAS技术与计算机断层重建技术在气体体积分数场的局部分布检测上有可行性,具备作为有毒有害气体云团体积分数分布检测手段的潜力。     

基于有源谐振腔的喇曼气体分析系统设计

为了检测、分析混合气体,根据混合气体中不同气体成分在喇曼频谱中各自的吸收谱峰,采用激光谐振腔增强光谱法原理和喇曼散射光谱技术,利用有源激光谐振腔和雪崩光电二极管,设计了针对于混合气体成分进行在线分析的实验系统。结果表明,对混合气体进行实时在线检测,可以有效检测出包含体积分数分别为0.502,0.498的N₂和O₂的混合气体。该系统操作便捷、安全可靠,可以实现混合气体的成分分析。     

激光检测乙烯浓度的光声光谱效应研究

为了解决生物医疗、石油化工行业微量乙烯浓度难以检测的问题,采用CO2激光击穿装有乙烯气体的光声池产生光声光谱效应,进行了微量乙烯浓度的检测,设计并优化了光声池尺寸,研究了激光谱线10P(16)和10P(18)与乙烯吸收系数、乙烯气体浓度与光声信号之间的关系。结果表明,光声光谱气体检测系统的共振中心频率为833Hz,品质因数为20.8,光声池常数为2323Pacm/W;当激光功率为3.6W时,在两种激光谱线的照射下,光声信号与乙烯气体体积分数之间均成良好的线性关系,其线性拟合优度分别为0.99744和0.99802,系统的最低检测浓度可达0.9nmol/L。实验结果与理论分析相吻合,验证了光声光谱效应对微量乙烯浓度的检测具有良好的应用价值。     

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

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。     

小型化准分子激光器气体性能的优化

对于新研制的准分子激光系统而言,激光气体的性能具有非常重要的作用,激光系统的混合气体配比与单脉冲能量、放电稳定性和寿命等性能参量有密切关系。为了获得最佳气体配比,在自行研制的小型化Xecl准分子激光器的基础上进行了激光气体性能优化实验,分析了Xe,HCl气体比例对激光性能的影响,通过理论分析和实验结果给出了Ne和He两种不同缓冲气体下的激光性能差异,并给出了该激光系统的优化气体成分和有效提高激光效率方法。实验结果为研制商业化小型准分子激光器件提供了支持和依据。     

基于谐波的红外激光调制光谱特性研究

基于谐波检测的调制光谱技术可以实现气体浓度的高灵敏检测,而最佳分析性能的实现依赖于系统调制参数的优化。研究了基于谐波的红外激光调制光谱信号特征,分析了调制参数与谐波特性的对应关系,针对典型的红外半导体激光光谱气体检测系统开展了实验研究与验证分析,获取了不同调制信号电压的谐波信号特征,分析确定了系统最佳调制参数。     

光子晶体光纤CO2气体传感器的研究

为了能高灵敏度地检测CO₂气体的体积分数,基于红外光谱吸收原理,设计了一种以9m长的空芯光子晶体光纤作为传感单元的CO₂气体传感器。利用该传感器测量了不同体积分数的CO₂在同一吸收波长下的吸收光谱图。结果表明,气体的吸收光强和气体的体积分数之间呈线性变化,与比尔-朗伯定律一致;传感器的灵敏度可达4.389×10-5W。可通过加长光子晶体光纤的长度,来增加气体吸收的有效距离,使传感系统获得较高灵敏度。     

DFB激光器饱和吸收稳频的精密温控系统设计

相对于外腔半导体激光器,分布式反馈(Distributed Feedback Laser,DFB)激光器的温调率较高,为实现饱和吸收稳频,需要对激光器温度进行精密控制。分析了饱和吸收稳频系统的控温需求,基于MAX1978芯片设计了精密温控系统；利用恒流源对测温电桥电路进行了线性优化,利用遗传算法对模拟PID电路参数进行快速整定,系统最终实现0.2mK的控温稳定度,比同类设计的稳定度高1~2个数量级,解决了饱和吸收谱线明显晃动的问题,具有广阔的应用前景。     

用于CO2探测的高功率1572nm可调谐光源

为了研发一种应用于CO2探测激光雷达的全光纤宽带可调谐高功率光源,以CO2的超精确吸收谱为基础,结合外腔可调谐激光器和L波段光纤放大器,进行了理论分析和实验验证,取得了针对1572nm附近吸收峰的连续调谐窄线宽光源的数据,并通过铒镱双包层光纤放大器将输出光功率提升到瓦级以上。结果表明,光源输出功率大于10dBm,边模抑制比大于50dB,线宽500kHz左右,1572nm放大器最大增益可达25.13dB,输出光功率达到1W以上。该光源具有体积小、低功耗和低成本的优势,对实现更大范围的空间CO2浓度探测分析有一定的帮助。     

激光微织构用吸光涂层正交工艺试验研究

为了提高金属表面激光吸收率及激光微织构加工表面质量,采用W-71s型喷枪在试样表面分别喷涂黑漆、水玻璃和黄料,并用Nd∶YAG激光器对其进行激光微凹坑加工。与无涂层试样相比,激光加工水玻璃和黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积都增加,其凹坑边缘熔渣体积都减少,其中,黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积增加了29.4%;在此基础上,利用正交试验法探讨水玻璃和黄料的配比以及厚度对激光微织构加工表面蚀除凹坑体积和凹坑边缘熔渣体积的影响。结果表明,吸光涂料的厚度控制在0.1mm左右,黄料含量17%、水玻璃含量18%的涂料为最优涂料配方;正交试验表中最优试样表面蚀除凹坑体积相比无涂层试样增加了70.6%,其凹坑边缘熔渣体积减少了16.2%。该工艺显著提高了激光吸收率和激光加工表面质量。     

不同约束下激光推进流场波系结构实验研究

利用透镜聚焦CO2激光击穿空气,在有效解决实验系统时序问题的基础上,借助高速阴影系统研究了3种不同约束构形下激光推进的流场波系结构,获得了波系演化的时序照片,并初步分析了等离子体点火特性和激光支持吸收波(之后退化为激波)的传播速度.结果表明:无约束下流场约呈椭圆形扩散衰减,平面靶和15°扩张靶约束下发生明显的激波反射和边界绕射现象,3种约束中心均出现缓慢变化的低密度高压气团;3种约束下激光支持的爆轰波退化为激波时速度急剧下降,之后激波速度变化平缓,约70～80μs降至声速.     

饱和吸收效应提高800nm超短脉冲激光信噪比

为了提高超短脉冲激光的信噪比,研究了钕玻璃在800nm波段附近的饱和吸收特性,通过速率方程计算得到了组合钕玻璃系统的非线性透射率与归一化能量密度的关系曲线.对任意一800nm激光脉冲,利用放大自发辐射脉冲、调制脉冲等噪声与激光主脉冲在频谱特性方面的差异,采取了对不同类型的钕玻璃材料进行组合的方法,对材料的掺杂浓度、厚度等综合数据进行优化,合理设计了组合钕玻璃系统的吸收谱.计算模拟结果表明,该研究有效抑制了噪声,能实现较高幅度的高信噪比.