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。     

空芯光子晶体光纤中光子带隙的测量

利用全矢量法对空芯光子晶体光纤的光子带隙的存在进行了数值模拟,并通过实验进行了证实。采用透射谱的方法对带隙型光子晶体光纤分别在可见光以及近红外波段进行了测量,光从光纤的一端注入,探测器从另一端接收,实验结果发现可见光附近没有明显的透射带,而在波长为2591nm处出现了一个很强的透射带,证明了光子带隙的存在,与理论模拟相一致,实验的重复性好。     

空芯光子晶体光纤研究新进展

空芯光子晶体光纤(HC-PCF)是新近发展起来的新一代特种光纤,具有奇特的基于光子带隙效应的导波机制与传输特性,在光波传输与控制、光信息操作与处理以及新型光子器件等领域都具有重要应用.综合评述了有关HC-PCF研究的最新进展,包括HC-PCF的模式传输、损耗机制、色散和非线性等基本特性,以及HC-PCF在高能光波光纤传输、超短光脉冲的色散与非线性传输控制、光与物质非线性相互作用、新型光信息传输功能器件等方面的应用.     

空芯光子晶体光纤的塌缩及选择性液体填充

研究了一种空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的微孔塌缩特性,所用设备为传统光纤熔接机,对塌缩后的光纤实现了液体的选择性填充。并通过有限元法仿真分析了该空芯光纤在液体填充前后的基本参数:有效折射率、模场有效面积、数值孔径。通过仿真对比发现空芯光纤在中心孔选择性液体填充后非线性效应增大;通过实验得出了最佳光纤塌缩参数为光纤端面距离放电中心距离为50 μm,放电时间800 ms,放电强度为15.5 mA。     

空芯光子晶体光纤的研究进展

综述了空芯光子晶体光纤（HC—PCF）的原理、制作方法和最新应用进展。详细介绍了HC—PCF在粒子传输、受激拉曼散射、激光频标、单模中红外光波导和高能超短激光脉冲领域的应用,讨论了HC—PCF的发展前景。     

空芯光子晶体光纤磁敏感性研究

空芯光子晶体光纤是一种新型的陀螺用光纤,较传统光纤具有良好的抗磁性,光纤的磁敏感性是由光纤的Verdet 常数来表征的。为研究空芯光子晶体光纤的磁敏感性,利用Comsol 软件对HC-1550-2 空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行仿真计算,选用含有法拉第旋转反射镜(FRM)的反射式双光路测量方案对空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行实验测量。双光路测量系统中的FRM 可以消除被测光纤中线性双折射对测量的影响。仿真与测量结果相吻合,且由结果可知空芯光子晶体光纤的Verdet 常数约为传统光纤的1/100 倍,验证了空芯光子晶体光纤在陀螺降低磁敏感性方面的优势。     

全光纤型空芯光子晶体光纤高压气体腔

通过气体填充和泄漏实验,结合微管管流理论,研究了空芯光子晶体光纤(HC-PCF)高压气体填充和泄漏特性。结果表明,空芯光子晶体光纤的气体填充过程缓慢,减小出口密封腔体积可有效缩短充气时间。当将空芯光子晶体光纤一端与单模光纤(SMF)熔接后再进行氮气填充,对于3.03×106Pa填充气压,在4 h内,9 m长的空芯光子晶体光纤内部气压将达到平衡。实验测量了该9 m长,3.03×106Pa的充氮空芯光子晶体光纤单端泄漏速度随时间的演变特性,给出了一种制作全光纤型空芯光子晶体光纤高压气体腔的方案,并指出测量的单端气体泄漏速度随时间变化关系可用来评估最终腔压。在此基础上,制作了空芯光子晶体光纤高压气体腔,腔压为1.73×106Pa,光损耗为9.3 dB。     

空芯光子晶体光纤损耗的研究

为了研究反共振纤芯壁对空芯光子晶体光纤限制损耗和散射损耗的影响,利用全矢量有限元法对所设计的具有不同纤芯壁和纤芯半径的空芯光子晶体光纤进行仿真,得到了3种纤芯壁在不同纤芯半径时的有效折射率、限制损耗和芯内功率分数随波长变化的曲线。由数值模拟结果可知,纤芯壁采用T=3的环形反共振层和椭圆反共振层设计时,限制损耗降低了约两个数量级,芯内功率分数在通信波段提高了13%。结果表明,这两种设计可以有效降低空芯光子晶体光纤的限制损耗和散射损耗。     

方形空芯光子晶体光纤的特性分析

利用全矢量有限元法,分析了方形空芯光子晶体光纤的色散特性、纤芯内的能量分布和有效模面积.结果表明,方形空芯光子晶体光纤在1.67～1.81 μm范围内具有较平坦的色散特性,较高的能量分布和较大的有效模面积,为进一步设计具有平坦色散和大模场面积的方形空芯光子晶体光纤提供了理论依据和参考.     

基于氢气填充空芯光子晶体光纤的全光纤型气体拉曼光源特性

理论和实验研究了调Q光纤激光脉冲抽运基于氢气填充空芯光子晶体光纤气体腔的全光纤型气体拉曼光源的特性。抽运光脉冲波长为1064.7nm时,产生的Stokes频移光波长为1135.7nm。理论和实验结果均表明,产生的Stokes频移光脉冲宽度远小于抽运光脉冲,并且,Stokes频移光脉冲宽度随抽运光脉冲能量的提升而增加。此外,减小抽运光脉冲宽度,可以降低拉曼阈值抽运能量、提高Stokes频移光的转换效率。在重复频率为5kHz、脉冲宽度为125ns的调Q光纤激光脉冲抽运下,实验测得拉曼阈值抽运能量和拉曼阈值点处转换效率分别为2.13μJ和9.82%。     

高频CO2激光脉冲写入PCF-LPFG传感特性研究

采用高频CO2激光技术在柚子型光子晶体光纤(PCF)上写入长周期光纤光栅(LPFG),并对其温度、应变和弯曲特性进行了实验研究。实验测得,PCF-LPFG谐振波长的温度和应变灵敏度分别为0.002nm/℃和0.001 8nm/με,谐振峰损耗值对温度和应变不敏感。由于高频CO2激光写入为单侧写入,导致PCF-LPFG透射谱的弯曲特性与方向和曲率直接相关。选择弯曲灵敏度较大的方向进行了弯曲测试,测得在一定的曲率范围内,PCF-LPFG的谐振波长及谐振峰损耗值的灵敏度分别为-5.45nm/m-1和3.32dB/m-1。基于PCF-LPFG的透射谱温度不敏感特性,本文为制作不受温度影响的应变和弯曲传感器提供了新的方法。     

基于波导CO2激光器的光声光谱仪

基于波导CO2激光器的光声光谱仪采用激光谐振腔内置光声池结构、低噪声纵向共振光声池和计算机控制的多谱线多种气体成分测量分析系统。文中详细给出了波导CO2激光器和光声池的设计参数,介绍了多种气体成分同时测量的原理和计算机控制测量软件的设计思想,实验中对有Brewster窗片和无窗片光声池的噪声特性和检测灵敏度极限作了分析比较,实验结果表明,该光谱仪对C2H2和O3的极限检测灵敏度分别达到10^-11和10^-9量级,能够对多种与大气污染和生物气体交换有关的微量气体进行高灵敏度、实时。连续、自动地监测。     

QCM Sensors Based on PEI Films for CO2 Detection

In this paper, quartz crystal microbalance (QCM) gas sensors coated with polyehtyleneimine (PEI) was utilized for carbon dioxide (CO2) detection. The sensing mechanism is based on the availability of reversible acid-base reactions between CO2 molecules and PEI at room temperature. The experimental results revealed that the PEI/starch sensor exhibited much higher sensitivity than that of pure PEI, and showed approximate linearity over a concentration region ranging from 500 ppm to 8000 ppm. The influence of humidity had also been investigated. Furthermore, the response and recovery time deceased as the operation temperatures increased. Finally, sensitivity loss after conservation for several days and reversibility of the sensors had been discussed.     

新型光室结构的主流式NDIR呼吸CO2监测系统

针对主流式非分散红外（NDIR）呼吸CO₂监测系统灵敏度及信噪比低下的问题,提出利用复合抛物面聚光器（CPC）提升监测系统性能的方法。利用ZEMAX模拟光室并优化CPC和常用的圆管聚光器以及锥形聚光器,采用单光源双光路的主流式一体化方法进行监测系统的气室设计,以STM32F100为主控芯片实现硬件系统控制,对具有不同光室结构的监测系统进行CO₂浓度标定和实时人体呼吸检测实验,获取其CO₂浓度与系统输出信号的对应关系和CO₂波形图。结果表明,CPC光室其模拟光学效率为4.3%,比常用的聚光器最高可提升89.77倍;装有CPC的监测系统其灵敏度与信噪比为8.940 7、24.65,比装有常用聚光器的系统的灵敏度最高可提升3.811倍、信噪比提升1.926倍;并且安装CPC的系统运行稳定,响应快,能够实时的反应出被测者的呼吸CO₂波形图。     

基于非分散红外法的二氧化碳浓度检测综述

二氧化碳(CO₂)是温室气体的重要组分之一,实时检测其浓度变化对缓解温室效应等方面具有非常重要的意义。非分散红外(Non-dispersion infrared, NDIR)法具有稳定性好、响应速度快、测量范围宽等优点,广泛应用于便携式气体检测等领域。首先分析了NDIR法应用在CO₂检测领域的优点,并对NDIR检测原理进行了简单的概述。然后对NDIR气体分析仪的基本结构进行了详细阐述,并对测量系统的经典气体标定方法进行了综述。最后综合分析了NDIR的特点,并展望了未来的发展趋势。     

基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制

对天然气分布监测,高精度地检测CO₂同位素是非常重要的。采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO₂/12CO₂在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO₂同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲镉汞(MCT)探测器组成。针对13CO₂和12CO₂两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO₂气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.999 6。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.013 9‰,具备实际应用价值。     

基于Offner凸面光栅星载CO2成像光谱仪光学系统设计

星载CO₂成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点,已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大,信噪比低,成像质量不佳的问题,文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切,提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件,设计在1594~1619 nm波段范围内,F数为2.5,光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明,点列图均方根（RMS）半径小于5 μm,系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外,该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法,进一步提高光谱信号的探测强度,该设计方案能够满足应用于星载CO₂成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。     

基于激光数据的北极海水二氧化碳分压研究

星载激光雷达作为一种新型的主动遥感技术,为全球海洋昼夜以及极地冬季海水二氧化碳分压的研究提供了可能。研究通过使用云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星（CALIPSO）数据,对全球海表面叶绿素a（Chla）浓度进行了反演,并构建了基于激光数据的前向神经网络模型（FNN-LID）,重构了北冰洋海水二氧化碳分压（pCO₂）昼/夜长时序数据集。在此基础上,对基于主动遥感的极地海水Chla浓度和海水pCO₂数据进行了验证与分析。结果显示,基于该算法的反演产品,具有较高的数据质量,不论是和其他被动遥感的产品还是独立浮标观测数据集都有较好的一致性,且能够有效“填充”极地冬季的数据空白。在北冰洋海区,受陆源强烈影响的边缘海都表现为较高的海表Chla浓度。北冰洋海水pCO₂的空间格局表现出经向的差异,且pCO₂的季节变化十分剧烈,甚至超过80 μatm。近20年来,北冰洋稳定地表现为大气二氧化碳的汇,而在东西伯利亚海和喀拉海等海冰显著衰退的地区,海面pCO₂的增长率非常显著。     

Stability of solid electrolyte based thick-film CO2 sensors

Long-term stability is one of the major issues in the ongoing development of solid electrolyte based, screen-printed potentiometric CO₂ sensors. Though improvements of the sensor have been reported by several research groups, mostly due to changes in material combinations, little is referred to the influence of basic technological aspects in relation to the observable degradation effects. In view of this aspect potentiometric thick-film CO₂ sensors based on the electrochemical cell: Au, O₂, CO₂ |Ma₂CO₃-MeCO₃ (Au)||Na-β/β′′-Al₂O₃||Na₂Si₂O₅ SiO₂ (Au)|O₂, (CO₂), Au {Ma = Na or Li; Me = Ba or Ca} were investigated regarding the long-term stability at improved operating conditions. As previous works at the IKTS in Dresden have shown that the microstructure of the Na-beta-Aluminate (NBA) and the sensor preheating conditions have considerable influence on the stability, now different carbonate materials where evaluated regarding the influence on stability at improved operating conditions. So far, satisfying performance over more than 2000 h was demonstrated independent of the carbonate material used in the miniaturized CO₂ sensor.     

高重频CO2激光对Hg0.826Cd0.174Te晶体的损伤

开展了HgCdTe 晶体的多脉冲热损伤问题的实验研究。采用形貌学方法对脉宽为300 ns 重复频率可调的CO2 激光器对Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值进行了实验测量,并建立了高重频脉冲CO2 激光辐照Hg0.826Cd0.174Te 晶体的三维热传导理论模型,分析了激光重复频率和辐照时间对晶体损伤特性的影响。研究表明:300 ns 的CO2 激光辐照时间大于10 s时,Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值不随辐照时间的增加而改变,其损伤阈值为1.421 4103W/cm2;激光重频对晶体的损伤阈值的影响较小,损伤阈值主要取决于辐照激光的平均功率密度。SEM 损伤结果显示:晶体损伤为热熔损伤,表面未发现由热应力造成的裂缝。理论模型获得的损伤数据和温升规律支持实验结果。该研究可为高重频CO2 激光应用、激光防护等提供参考。