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。     

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...     

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。     

复合式VCSEL型CO和CH4激光气体检测系统设计

一氧化碳(CO)和甲烷(CH₄)是大气中主要的污染性气体,而且二者都属于易燃易爆气体。一氧化碳和甲烷浓度检测在人民生产生活各个领域都具有重要意义。因此,本文开展了VCSEL型CO和CH₄双组分TDLAS气体检测系统的研究。针对双组分气体检测,提出了一种双波长分时扫描式自主校正检测技术,消除了光信号的交叉干扰,实现了单信号环路对双组分气体的高精度检测;针对VCSEL激光器工作温度稳定性要求高和阈值电流低等工作特性,设计了高精度温控电路和精密电流驱动电路;针对双组分气体光电探测器信号幅值不同的特点,设计了偏压和增益数控可调的光信号采集处理电路。本系统进行了整体性能测试,稳定性较好。     

基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制

为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO₂气体浓度,文中采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,选取波数4 978.202 cm-1作为CO₂检测系统的吸收谱线,采用有效光程为40 m的多通池,以STM32作为主控和数据处理核心器件,研制了高精度CO₂检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声,利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明,与滤波前相比,系统在50 ppmv CO₂浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO₂浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv),系统误差为2.57%～2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出,积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv,实现了对CO₂气体的高精度测量。结果表明,所设计的高精度CO₂系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。     

基于移动平台的便携式FTIR灾害现场气体检测技术

傅里叶红外光谱技术(FTIR)的引入极大地提升了气体的检测速度和准确性。然而在石油化工泄露和爆炸、森林火灾等突发危险现场,存在着人力无法现场检测的情况。为了应对这种场景,开发了基于移动平台的便携式FTIR灾害现场气体检测方法。通过将云服务器和树莓派的优势相结合实现远程操作移动平台,将搭载便携式FTIR光谱仪的移动平台远程操作驶入现场,并及时通过4G/5G模块传回现场位置数据、视频数据和光谱气体浓度数据。最后,在野外基地利用该平台进行了实测,对CO₂、CO、SO₂、C₆H₆等多种污染气体进行了检测,结果验证了该系统在野外工况下的可靠性。本工作为FTIR光谱仪或其他光谱类检测系统在移动平台上的集成应用提供了思路和解决方案。     

基于QCL吸收光谱的SO2,SO3同步测量技术

介绍了基于中红外吸收光谱的高温条件下SO₂和SO₃同步测量技术。在该测量实验系统中,SO₃由SO₂与O₂在钒基催化剂作用下高温反应得到,并且在SO₂催化氧化过程中同步测量SO₂和SO₃的浓度,进而计算得到了该催化氧化反应的转化率随温度（550～1000 K）和压力（3～20 kPa）的变化关系。通过对SO₂和SO₃高温吸收光谱模型的修正,将测量的混合气体的耦合光谱成功解耦,分别得到SO₂和SO₃各自的吸收光谱和气体浓度。同时,在实验系统中还设计有冷却分离装置,将反应后的高温SO₃气体冷却吸收后测量剩余SO₂浓度,并对比验证同步测量得到的SO₂浓度的准确性。实验发现,当温度低于590 K时,无SO₃生成,但SO₂在催化剂...     

燃煤电厂波长调制激光吸收光谱氨逃逸测量系统的参数优化研究

基于波长调制激光吸收光谱(WMS)技术的气体浓度测量系统是燃煤电厂氨逃逸监测的主要手段。调制深度的选择是影响波长调制激光吸收光谱测量信噪比的关键,设计NH₃分子吸收光谱调制参数优化的数值仿真试验,研究发现在200℃伴热条件下,WMS测量系统的最优调制深度为0.238 8 cm^-1。在-20～500℃的宽温度范围内,随着温度的提高,最优调制深度接近线性的降低,最优调制深度a_m与摄氏温度T之间的关系可以用公式a_m=0.291 8-3.265 14×10^-4T+2.282 14×10^-7T²精确地描述,该结果对燃煤电厂氨逃逸监测系统的调制参数优化具有重要的指导意义。     

机动车尾气碳氧化物检测中的非线性修正方法

机动车运行工况复杂多变,排放的尾气成分浓度范围跨度大。利用常规光学方法检测尾气中污染成分的浓度时,由于受限于光学气池的结构固定和系统对光电微弱信号的检测极限,因此待测气体的量程和精度范围都受到很大限制。基于朗博比尔定律,在待测气体浓度变量上增加指数因子修正,可以在不降低测量精度的同时,实现尾气CO、 CO₂大量程检测。用标准气体对便携式机动车尾气检测装置进行标定实验,结果表明,传统的线性修正方法得到的CO拟合度为0.988, CO₂拟合度为0.998;而增加了非线性修正因子后得到的CO拟合度为0.999, CO₂拟合度为0.999。进一步外场对比实验表明,修正后的仪器测量结果与同类先进仪器的一致性较好,柴油车实验拟合度为0.93,汽油车拟合度为0.95,验证了非线性修正方法的必要性和实用性。     

基于波长调制光谱技术的二氧化碳浓度测量

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究

为了对电力场所SF₆气体浓度进行有效监测,采用光声光谱气体检测技术,基于波长可调谐CO₂激光器,设计了一套大气环境下的SF₆痕量气体检测系统,并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF₆气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz,品质因数为32.04,光声池常数为89.74Pa·m·W-1;利用单谱线光声法,在激光谱线10P12处检测SF₆气体的灵敏度为0.06×10-6（体积分数）;采用差分光声光谱气体技术后,在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下,光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6（体积分数）。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响,提升光声检测系统的灵敏度,具有一定的实用价值。     

Lightwave synthesizer with lock-in-detected frequency references

The authors describe a lightwave synthesizer system based on the lock-in detected frequency references such as atomic or molecular spectra. This system uses two semiconductor laser diodes (LDs); one is a frequency-tunable master LD, and the other is a frequency-modulated tracking LD, used for stabilizing and tuning the master LD. The lightwave-frequency tuning of the master LD is controlled by a microwave synthesizer. This yields the same frequency stability and accuracy as the lock-in-detected frequency reference at anywhere in the tuning range. By using the 1535.39-nm absorption line of acetylene (C₂ H₂) gas as the reference, tuning range of over 13 GHz with an absolute frequency stability of better than 10 MHz is demonstrated from distributed-Bragg-reflector LD     

Si–C multilayer quasi crystals preparation by DC magnetron sputtering

Silicon carbide (SiC) is becoming one of the most important electronic materials in recent years. Single crystalline SiC is a wide-bandgap semiconductor, which finds a wide range of applications in high temperature, power consuming, and fast-acting electron devices. Common methods applied for silicon carbide films deposition are: plasma-enhanced CVD under plasma decomposition of organic compounds such as CH₄, C₂H₂, C₃H₈. These methods are complicated and expensive.

In this work we grew silicon–carbon films as Si–C thin film multilayer system with successive layers of Si and C both of equal thicknesses. The Si–C systems grown in our experiments consisted of 40 sub-layers, deposited by DC magnetron sputtering on silicon, on glass, and on Au substrates in argon plasma environment. Sputtering was provided continuously from two targets: graphite and single-crystalline silicon. Optical and electro-physical properties of the deposited thin film systems were investigated. Relative permittivity of the grown thin film systems was found to be the main and most important parameter of the Si–C system.     

Epitaxial growth of β-SiC on Si by RTCVD with C3H8 and SiH4

The authors established that β-SiC thin films can be grown epitaxially on (100) Si substrates by rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD) employing carbonization with C₃H₈ , as well as post-carbonization growth using SiH₄ and C ₃H₈ in H₂. They determined the optimum carbonization conditions with respect to reaction temperature and ramp rate, gas flow rates, etc. A possible mechanism, based on nucleation density and Si surface diffusion, has been proposed for the effect of C ₃H₈ flow rate in film thickness, morphology, and void formation. Void-free SiC films have been grown on Si at high C₃H₈ flow rates. The authors determined the optimum conditions for subsequent SiC growth with respect to temperature and Si/C ratio in the gas phase. They established that the resulting SiC thin films are monocrystalline by X-ray and electron diffraction. The SiC-Si interface was investigated by cross-section transmission electron microscopy and found to be sharp and intimate where no voids are present     

Simultaneous emission of the HF and N2 lines from aplasma cathode TEA laser

Simultaneous laser action from HF and N₂ is obtained, from a plasma cathode TEA laser, for the first time. The sliding discharge along the surface of a dielectric is used as a plasma cathode, for the main volumetric discharge. The laser operates at atmospheric pressure, with a gas mixture of SF₆:C₃H₈:N₂:He. For a typical flow rate ratio of 0.27:0.024:0.2:19.8 1 min^-1, it produces simultaneously 160 mJ HF and 0.6 mJ N₂ laser outputs at 0.43% and 1.4×10^-3% efficiencies respectively, at the moderate charging voltage of 28.5 kV. These output characteristics are obtained from a small active discharge volume and length of 10⁶ cm³ and 38 cm respectively. These values extend the performance, recently reported in the literature, of a sliding discharge HF/N₂ laser with corresponding simultaneous energy outputs of 12 mJ HF and 1.1 mJ N₂, to a higher energy output level, thus making the device suitable for a broader range of applications. This novel dual wavelength HF/N₂ laser system presented, can be particularly convenient for medical experiments, where the IR beam can be used for tissue ablation, while the UV beam can be used as the excitation source for fluorescence spectroscopic measurements, for the evaluation of the ablation process. Details are presented on the dependence of the laser performance parameters, such as output energy, discharge voltage and current and structure of the laser output pulses on the mixture composition and the circuit parameters     

Accurate frequency of the 119 μm methanol laser from tunablefar-infrared absorption spectroscopy

High-accuracy absorption spectroscopy of CH₃OH in the far infrared is discussed. In addition to 22 transitions in the ground state, the frequency of the (n, τ, J, K), (0, 1, 16, 8)→(0, 2, 15, 7) transition in the ν₅ excited vibrational level, which is responsible for the laser emission at 119 μm, was measured. The measured frequency is 2,522,782.57(10) MHz at zero pressure, with a pressure shift of 6.1(32) kHz/Pa (0.805(420) MHz/torr). An accurate remeasurement of the laser emission frequency has also been performed, and the results are in good agreement     

脉冲激光诱导石墨等离子体羽辉特性研究

为了研究C₂的演化规律，采用增强型电荷耦合器件（ICDD）直接成像法，通过Nd:YAG激光器烧蚀石墨靶，使用窄带通滤波片分辨出C₂和C+的发射位置，研究了在不同空气压力条件下，脉冲激光诱导石墨等离子体中C₂和C+的发射特性。当空气气压为10-2Pa和3Pa时，C₂发射峰值位于靶材附近，此时C₂的形成主要为靶材的直接发射；气压增大至50Pa时，由于气相重组反应加强，等离子体前端出现另一个C₂的发射峰值，其峰值位置与C+一致，并且其逐渐占C₂发射的主导地位，此时C₂的形成主要来源于重组反应，C+发射光强要大于C₂；当气压进一步增大至130Pa时，气相重组反应增加，在等离子体前端出现C₂的发射强度增强，在1.3μs之后，C₂的发射强度大于C+。结果表明，随着气压的变化，C₂的发射峰值位置和强度发生明显变化。这一结果对碳等离子体沉积碳纳米材料原理研究是有帮助的。