半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析

为了防止驱动电流的波动会影响半导体激光器激射波长及发光功率,设计了一款具有较强抗干扰能力的半导体激光器驱动电路。该驱动电路以深度负反馈架构为核心,通过STM32控制器调节输出电流直流信号的大小以及调制波信号的频率与幅值。对整个环路进行一阶人工分析,并且结合Tina-TI仿真引入参数可调的噪声抑制网络,保证目标设置频率下环路响应能力的同时具有较强的抗干扰能力。实验表明,该激光器电流驱动电路对目标频率10 倍频程以上环路噪声的抑制可达到20 dB以上,并且对目标频率的调制波响应良好,频率的输出值与设定值最大偏差为0.001 Hz,控制线性度为0.999 9,直流偏置下驱动电流2 h短期稳定度优于0.005 6%,63 h长期稳定度优于0.011%,激光器功率控制线性度为0.999 4,标准误差为0.092 87。     

激光吸收光谱技术在工业生产过程及安全预警标识性气体监测中的应用

鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足,本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托,选取合适的无干扰激光吸收谱线,阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示:抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量;管道对射式实现了O2及10μL/L以下CO的高精度在线测量;探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15s,监测极限小于150μL/L,泄漏报警准确率达100%;开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明,TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。     

腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展,腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展,在环境监测、医疗诊断、国防建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述,从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发,基于不同的光源描述常见的实验配置,其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况,并总结了目前该技术在不同领域的应用,最后对各装置的发展前景进行了展望。     

利用TDLAS技术的多点甲烷气体全量程监测

甲烷气体是一种对人体和环境有严重危害的气体,特别在煤矿、天然气罐、气站和石油化工等安全生产领域,对甲烷气体的泄漏监测至关重要。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）,选择1 653.72 nm波长作为甲烷气体直接吸收检测的中心波长,使用微透镜设计了14 cm光程吸收池建立了一套浓度范围为0~100%全量程甲烷在线监测系统,利用分束器分成多路对不同位置进行监测,通过小波变换对吸收信号进行降噪处理,提高信噪比,使系统的最低测量极限达到335 ppm （1 ppm=10-6）,并将自行研制的多点全量程激光甲烷传感器与商用红外甲烷气体探测器进行对比实验,结果表明:该系统具有测量稳定性好、测量范围大、响应速度快、免调校、测量探头本征安全、低成本等优点,完全有能力满足各行业的使用需求。     

基于光声光谱系统温度控制器的设计

精确控制光声光谱实验系统温度有助于提升系统灵敏度及稳定性。设计的温度控制系统由单片机STC12C5A60S2控制,以铂电阻Pt1000为温度传感器,Pt1000采用四线制接法,有效消除了引线电阻引起的误差,其信号处理电路由仪表放大器AD620构成。介绍了14位高速率模数转换器TLC3574的典型工作电路,参考电压由LM4040提供。半导体制冷片由单片机输出的PWM波控制电流方向及导通时间,实现制冷加热,其驱动电路为场效应管H桥电路。所设计的温度控制器控制范围0~40℃,控制精度达到0.06℃。     

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...     

连续波腔衰荡吸收光谱技术中的模式匹配研究

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为（5.239±0.077）μs和（5.252±0.058）μs,该系统的吸收系数检测限为10^-10量级。对于甲烷气体浓度,通过步进式改变入射激光的波长,描绘了甲烷气体的吸收谱线,其检测限可达10^-9量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^-6和1.870×10^-6。实验结果表明,虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配,完成痕量甲烷气体的测量,但是通过对比可知：腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限;波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势,结构相对简单,无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此,在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。