快速腔长扫描光腔衰荡光谱仪及其中痕量气体测量中的应用

基于PZT快速腔长扫描技术和可调谐连续DFB激光器,搭建了一套快速腔长扫描光腔衰荡光谱探测装置,通过PZT快速腔长扫描实现激光单纵模与光腔纵模的模式匹配与破坏,以完成腔内光信号的独立衰减以及对此衰减过程快慢的测量。实验表明该装置不仅测量灵敏度高达10^-9量级,而且稳定性强,装置简单且易于操作。通过对CH₄气体在1653.72 nm 附近的吸收光谱测量,并用HITRAN数据库模拟校准,验证了该装置的定量测量能力。利用该装置通过固定激光波长测量吸收峰中心值方法对大气中CH4气体含量变化进行了探测。     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。     

V形结构离轴积分腔吸收光谱测量装置设计与研究

以2μm窄线宽分布式反馈(DFB)激光器为光源，搭建了一套新型V形结构离轴积分腔吸收光谱实验装置。利用LightTools光学仿真软件对实验光路进行模拟仿真和优化分析，获得了V形腔内的高反射镜表面光斑分布规律，选择合适的入射角度可很好地提高镜面利用效率，并进一步确定了在V形结构双边对称且单边臂长为25 cm的情况下，腔体最佳夹角为23.06°。根据设计加工腔体并搭建吸收光谱实验装置，使用体积分数为400×10^-6的CO₂标准气体在4991.258 cm^-1处对装置进行了实验研究，标定了高反镜的实际反射率和V形腔的有效光程。通过测量装置的Allan方差评估了实验装置的性能，实验结果表明，当平均时间为375 s时，装置检测限可达0.35×10^-6。利用该装置在4986.9955 cm^-1处对室内NH₃分子进行测量，获得了NH₃的吸收谱线，同时使用Savitzky-Golay算法对光谱数据进行平滑处理，获得了46.06的信噪比，展示了V形结...     

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。     

蓝紫光的腔增强空气喇曼光谱

喇曼光谱是一种无损、快速检测物质成分的方法。为了提高监测灵敏度, 对408nm波段半导体激光器的腔增强自发喇曼散射进行了研究。利用输出功率500mW、线宽0.9nm的408nm半导体激光器作激发光, 把激光耦合入共焦球面镜腔, 两面共焦球面镜的反射率分别为96.5%和99.5%, 部分激光返回半导体激光器形成光反馈, 半导体激光器与共焦腔形成共振。对装置的光反馈过程进行了探讨, 并对外腔的模式匹配和频率匹配分别进行了分析。结果表明, 共焦腔内功率达到15W, 功率增强了30倍; 用90°探测构型收集喇曼信号, 完成了空气喇曼信号检测; 1s积分时间, 获得N₂信号900个计数。此共振增强腔大大增强了喇曼散射信号, 有潜力应用于多种气体的在线检测或高灵敏度检测。     

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102～2250 cm^-1、2920～3140 cm^-1和2172～2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别...     

平面COIL腔镜高反射率的精确检测

直型和折叠型衰荡光腔相结合技术精确检测了一组平面ＣＯＩＬ高反腔镜在１．３１５μｍ的实际反射率。实验测得ＣＯＩＬ平面高反腔镜反射率高达９９．９３１％,测量精度为１０＾－５,本技术对镜片的反射角度,基底材料透光性能及尺寸无特殊要求,可由反射率相对较低的腔镜,测量高反射率率镜片。     

利用光参量振荡器测量腔内增强吸收光谱

利用光参量振荡器(OPO)实现了腔内增强吸收光谱(CEAS)。实验使用了线性吸收腔。利用压电陶瓷对吸收腔的反射镜进行扰动,得到光的输出。通过测量乙烷(C2H6)在2996.9μm附近的CEAS,确定了系统的检测灵敏度。在总的腔镜反射率为98.5%的情况下,系统的最小可检测吸收系数为2.3×10-5cm-1,相应的C2H6的测量极限为690ppb。     

用光腔衰荡测定腔镜及镜片的反射率

光腔衰荡是新的光谱技术。本文利用腔衰荡测定了一组腔镜的反射率,测出的误差达到10^-5量级;同时利用这一衰荡腔对全反镜的反射率进行了测定。该方法适用于不同环境下的镜片反射率的精确测定。     

1.65μm CH4低温吸收光谱特性研究

在CH₄吸收光谱参数运用于对地球大气以及外星球的遥感探测和模拟上,CH₄光谱参数的准确性十分重要,尤其是在低温情况下的光谱参数。HITRAN数据库中CH₄给出的低温情况下的参数并不完整,同时存在较大的误差.为了对1.65μm的CH₄低温吸收光谱进行测量,采用窄线宽的二极管激光器作为光源,结合自主设计的低温装置,测量了CH₄的低温吸收光谱特性,同时给出6039.70 cm^-1处CH₄的低温吸收光谱作为典型给以阐述,并对吸收谱线自展宽系数的温度依赖系数的测定方法进行了讨论。     

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...     

基于光纤腔衰荡光谱的浓度和温度测量

为了提高浓度和温度测量的灵敏度和稳定性,采用时域分析法监测光纤系统中的光损耗,研制了基于光纤环形腔衰荡光谱的传感系统。基于该系统对浓度和温度进行传感测量实验,分析了错位传感结构的参量选择,并研究了空载时腔内信号放大对脉冲强度和脉冲数量的影响。结果表明,当干涉长度L和错位量D分别为4cm和3.75μm时,干涉效果最优;脉冲强度是无腔内放大时的4倍且脉冲数量更多;当蔗糖和葡萄糖溶液浓度为0.100g/mL~0.400g/mL时,浓度灵敏度为756.51μs/（g/mL）和909.07μs/（g/mL）,检测限为0.0014g/mL;当温度为30℃~200℃时,温度灵敏度为1.83μs/℃。该系统的设计和研究为浓度和温度的传感应用提供了有价值的指导。     

基于腔损耗扫描寻优的光腔衰荡高反射率测量

针对目前腔失调参数与腔损耗之间的映射关系并不明确，调腔过程中腔相对失调量亦不明晰等问题，提出一种基于腔失调参数扫描的腔损耗寻优调腔方法。该方法通过腔镜倾斜调节量的扫描寻优，以光腔衰荡时间为判据寻找初始腔和测试腔相对失调优化的腔状态。实验结果表明：通过该方法，对同一高反射率待测样片6次实验测量结果的测量重复性精度相比传统方法由1.26×10^-4提高到约9.83×10^-6，测量重复性峰谷值由3.25×10^-4提高到2.7×10^-5，测量结果更稳定，表明该方法能获得腔参数相对失调更小的调腔状态，为在初始腔反射率较低的光腔衰荡测量系统中抑制衰荡腔相对失调提供了一种解决方案。     

腔衰荡法四腔镜反射率及腔内吸收测量

由于镜片的反射率在不同的环境中是不同的,我们在这里利用腔衰荡四腔镜轮换的方法,在常态下测得了四腔镜的反射率,同时得到了腔内气体在测量范围的吸收情况。     

基于光腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数探测的研究

光腔衰荡光谱技术是近十年来迅速发展起来的一 种新型光谱检测技术,具有超高灵敏度和低检测限 的优点。本文首先从比尔定律入手,分析了振荡时间和消光系数的计算方法。实验上,采用 532nm脉冲激 光器作为光源,高反射率共焦腔作为衰荡腔,搭建了一套测量大气气溶剂消光系数探测仪器 。根据不同浓 度的NO₂气体对532nm激光有不同的吸收系数,实现了对消光仪准 确性的验证。所研制的消光仪系统检 测限为0.222μs,系统的稳定性为0.18%,系 统灵敏度值为1.47×10－7 m－1,基本达到达到国内外 先进水平。由实验结果可知,高反射率腔镜及脉冲腔衰荡方法对研制高稳定性、高灵敏度气 溶胶消光系数检测装置具有重要意义。     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

大功率体光栅外腔半导体激光器的输出特性

宽条形大功率半导体激光器(LD)存在光谱温漂系数大、光谱宽度宽的缺点,为了改善宽条形大功率半导体激光器的光谱特性,采用一种体光栅(VBG)离轴外腔方法实现了宽条形大功率半导体激光器光谱特性的明显改善和高效率工作.宽条形半导体激光器的外腔结构主要包括激光器输出光束的快、慢轴准直光学透镜和离轴放置的体光栅.宽条形半导体激光器的激射条宽为100μm,当激光器工作电流为4.0 A时,外腔激光器的输出功率高达3.4 W,斜率效率为1.0 W/A,光谱宽度由自由出射条件下的2~3 nm减少为0.2 nm,峰值波长的温漂系数小于0.015 nm/℃.     

基于离轴积分腔的海水溶解气体实时检测技术研究北大核心CSCD

海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体,采用离轴积分腔输出光谱技术(ICOS)对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器,并进行了理论分析和实验验证,实验得到CH_(4)的浓度(体积比)探测范围为1.073×10^(−8)∼1×10^(−3),CO_(2)的浓度(体积比)探测范围为3.39×10^(−6)∼1×10^(−2),CH_(4)同位素丰度的测量精度为1.2‰,CO_(2)同位素丰度的测量精度为1.74‰。实验结果表明,系统具有良好的灵敏度和稳定性,可以实现深海连续走航观测。     

基于Simulink手持式激光甲烷遥测仪标定方法仿真分析与试验研究

围绕目前市场上手持式激光甲烷遥测仪测量误差大、测量精度低的问题,建立了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的CH₄积分浓度遥测仿真系统,并根据仿真结果进行了手持式激光甲烷遥测仪标定试验与相关测量分析。通过CH₄积分浓度遥测仿真系统,开展了吸收峰峰值拟合标定法和吸收峰积分面积拟合标定法两种标定方法的仿真试验。通过对同一组积分浓度的两种标定方法试验数据的仿真测量和分析,结果表明积分浓度与吸收峰积分面积的线性相关性为0.999 99,高于积分浓度与吸收峰峰值的线性相关性0.999 88,同时采用吸收峰积分面积标定法的测量误差范围为-0.26%～0.86%,远小于吸收峰峰值拟合标定法的测量误差范围-1.22%～1.16%。根据仿真结果采用吸收峰积分面积拟合标定法对遥测仪进行标定试验和相关测量分析,结果表明该标定方法的平均误差为4.35%,误差范围为-2.89%～7.20%,比市场现有遥测仪的误差范围(±10%)缩小了5.65%。研究结果表明,选用吸收峰积分面积拟合标定法能够显著提高遥测仪的检测精度,缩小测量误差范围。     

基于光腔衰荡光谱技术的激光脉冲能量选择研究

在光腔衰荡光谱技术中衰荡信号虽不受入射光强变化的影响,但入射光强大小并非任意选取。通过理论计算结合实验分析,探讨脉冲光腔衰荡光谱技术中激光单脉冲能量的选取,结果显示激光脉冲能量选取受反射镜的反射率、探测器灵敏度、增益及信噪比等因素限制。当入射光强度选取过低,在探测器本身灵敏度和信噪比的限制下,信号被淹没于噪声中,无法检测信号;入射光强度过高,输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和,探测器的响应呈现非线性,甚至出现漂白现象或损坏探测器。实验中,激光光源单脉冲能量范围在33 nJ到1μJ较为合适。