波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^-1谱线吸收率检测限低至4×10^-7(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^-5(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^-6—9.6×10^-6)CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^-9(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.     

基于便携式柱面镜多通池的二氧化碳高灵敏度探测研究

二氧化碳作为大气中重要的温室气体，与气候变化和人类活动密切相关，因此对其浓度的探测具有重要意义。利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池，实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。通过Matlab编写光线传输矩阵，优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池，相比于传统Herriott型多通池，具有腔镜利用面积高、在相同体积内可实现有效光程长等特点，在物理基长为15 cm的情况下，实现了14 m的有效光程。实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器，采用直接吸收光谱方法对CO₂气体进行了探测研究，并用Allan方差对系统性能进行了分析。结果表明，在平均时间为5 s时，系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1，平均时间为235 s时，系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。此外，利用该系统实现了大气中CO₂的探测，得到大气中的CO₂浓度为383.4 μL·L-1。基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统，结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、高分辨率、快速响应的优点，大大减小了系统体积，提高了系统探测灵敏度，在气体探测领域有广泛的应用。     

一种新型光学多通池系统应用于烟雾箱内挥发性有机化合物探测

介绍了Chernin型多通池的原理、设计及应用,该系统稳定性好,调节简单,光程在3—330 m的范围内可调.通过对NO₂的痕量探测,验证了该系统的稳定性及可靠性,在37 m的吸收光程内,NO₂的探测极限达19.1 μg/m³.同时,利用该系统对烟雾箱内的邻、间、对-二甲苯,甲苯进行了痕量探测,在36 m的吸收光程内,探测极限分别达到42.6,15.1,9.9和19.7 μg/m³,该系统可以满足烟雾箱内挥发性有机化合物     

氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现

氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3 000 m的光程,将中心波长为1 528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6 548.611 cm^-1和6 548.798 cm^-1附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^-5～5×10^-5范围内NH₃进行了检测。测量结果表明NH₃浓度与信号幅值的线性拟合度R²可达0.999 79。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^-9,在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^-9(S/N～1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检...     

基于波长调制-直接吸收光谱的CO分子2.3μm处谱线参数高精度测量

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)结合了直接吸收光谱(DAS)可直接测量吸收率和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点，可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池，在CO浓度为24.151μmol·L^-1、常温常压条件下，测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm^-1谱线的吸收率，用Voigt线型(VP)函数对测量的吸收率进行拟合，结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上，证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合，对CO分子在4 278～4 304 cm^-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量，实验采用浓度为0.411μmol·L^-1的CO标准气体。分别采用VP、 Raution线型(RP)和quadratic-speed-dependent-Voigt线型(qSDVP)对测量所得吸收率进行拟合，得到CO分子与空气...     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测

解析大气中HONO和N₂O₄的光化学循环及其来源,需要对其质量分数进行准确测量,而质量分数测量的前提是吸收线参数的准确度量。采用7.8μm室温连续量子级联激光器和长光程多次反射吸收池对实验产生的HONO和N₂O₄气体进行了同时测量,确定了两种气体的吸收线频率。根据已知的1280.4 cm^-1处trans-HONO的吸收线强,计算得到trans-HONO的质量分数为(0.72±0.04)×10^-6,相应的系统最低检测限为(11.15±0.50)×10^-9。利用中红外量子级联光谱技术同时对HONO和N₂O₄进行分析研究,所得到的谱线参数也为HONO和N₂O₄质量分数的实时监测、化学反应过程的分析等提供了重要的依据。     

基于单一量子级联激光器的大气多组分气体（CO、N2O、H2O）同时测量方法

近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制光谱技术（WMS）和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8～2205.6 cm^-1,覆盖了CO、N₂O和H₂O的中心吸收谱线。实验测试结果表明：在1 s的时间分辨率下,CO、N₂O和H₂O的测量精度分别为1.83×10^-8,1.86×10^-9,1.19×10^-4;当满足最佳积分时间（100 s）时,系统的最低检测限可以达到1.8×10^-9（CO）,0.16×10^-9（N₂O）,1.5×10^-5（H₂O）。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体...     

基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究

H₂O和CH₄在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量H₂O和CH₄浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H₂O和CH₄的高灵敏度测量研究。离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定,吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证,确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。结果表明,基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。当谐振腔内压力为5.06 kPa时,利用7组不同浓度的CH₄标准气体（0.2～1.4 μmol·mol-1）对系统进行了线性响应标定测试,得到了CH₄吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。系统的稳定性、可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析,结果表明系统对探测CH₄的最佳平均时间为100 s,最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1;系统对探测H₂O的最佳平均时间为200 s,最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究,结果表明相比于多次平均方法,Kalman滤波能显著的提高测量精度,而且缩短了系统的响应时间。最后,利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH₄和H₂O浓度进行了连续两天的测量,CH₄每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1,H₂O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1,由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH₄和H₂O的测量,另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH₄和H₂O监测。     

利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）并结合波长调制，在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH₃进行浓度测量.在10m的长程吸收池内得到了25×10^-6的浓度信号，并且在25×10^-6—400×10^-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰，并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法. 关键词： 可调谐半导体吸收光谱 波长调制 3浓度测量')" href="#">NH₃浓度测量 颗粒影响     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0～40×10^-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×10⁶ pm,分辨率为1.9×10^-6。当氨气的体积分数为20×10^-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。     

基于柱面镜光学多通池的CH_4高灵敏度探测

光学多通池被广泛应用于吸收光谱气体检测中,用来增加吸收光程,提高探测灵敏度。提出了一种由两块圆型柱面镜构成的光学多通池,其结构紧凑,镜面有效利用率高,相比传统相同基长的多通池可实现的光程有很大的增加。通过调节前后两柱面镜的间距和相对旋转角度,可得到不同的光斑分布,实现不同的光程。实验中使用1.653μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,采用直接吸收光谱方法对CH4气体进行了探测,在气体有效吸收光程为13.8 m的情况下,检测极限达到了0.68μmol/mol,并利用该系统实现了大气中的CH4探测。     

颗粒物环境下用于气体吸收光谱测量的气固两相高温样品池系统

设计了一种气固两相高温光学样品池,模拟同时存在颗粒物的气体探测环境,并通过搭建可调谐二极管激光吸收光谱测量系统,对颗粒物环境下的温度与乙炔体积分数测量技术进行研究。使用质量流量计配置体积分数为0.1%～1%的乙炔气体,并设计颗粒物播撒装置,将直径为125μm的石英砂颗粒与不同体积分数的乙炔气体混合通入样品池,在样品池外侧设置纤维加热腔进行温度控制,产生不同温度的样品环境。使用中心波长为1540 nm的DFB激光器,通过对6489.07 cm^-1与6490.02 cm^-1位置处的一对乙炔吸收谱线进行同时探测,实现了对温度与乙炔体积分数的同时测量。分析发现,500～1000 K温度范围内的温度测量一致性R²≈0.998,相对平均标准偏差为3.05%,乙炔体积分数测量一致性R²≈0.995,相对平均标准偏差为2.65%。此系统满足颗粒物环境下气体光谱探测研究的需求,可为气固两相环境下的光谱探测技术研究提供参考。     

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^-13τ^-1/2水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^-14τ^-1/2,本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^-14τ^-1/2、长稳突破1×10^-15进入～10^-16奠定了基础.     

新型环保绝缘气体C5-PFK的红外光谱特性及混合比检测方法研究

1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮(C5-PFK)气体因其优良的电气绝缘性能和良好的环保特性受到国内外广泛关注。制备高精度的C5-PFK混气并实现对其混合比的精准检测，有利于对C5-PFK混气的科学论证，最大限度的减少电力隐患。采用FTIR实验，结合B3LYP方法进行光谱理论计算，对C5-PFK气体的红外光谱吸收特性进行了研究；针对测试环境中可能存在的CO₂及微水气体，在相同的温压及光程条件下进行了谱线交叉干扰分析；基于非分散性红外线(NDIR)技术对C5-PFK混气混合比传感器进行了仿真测试，开展了传感器硬件系统的整体设计。根据传感器的输出特性，建立了BP神经网络温度补偿模型，并对传感器的重复性及示值误差进行了测试。结果表明：C5-PFK气体的强吸收峰位置分别为1 200、 1 262及1 796 cm^-1,分子理论计算与气体实测的红外光谱吻合较好；合成空气背景下1 262 cm^-1位置CO₂气体的吸光度为6.04×10^-7, 150 n...     

基于新型长光程多次反射池的CO高灵敏度检测

在吸收光谱检测技术中,常利用多次反射池技术增加吸收气体的光程长度,以提高灵敏度,降低检测极限。通过综合传统的多次反射Herriott池和White池的优点,利用White池的三镜光学结构和Herriott池的光路传输原理,设计出了一种新型的长光程多次反射池,其结构简单、外形紧凑、光程可调、性能稳定并且小型化。将研制出的基长20cm、光程范围10～100m可调的新型多次反射池应用于可调谐二极管激光吸收光谱技术中进行一氧化碳气体的探测,结合数字信号处理技术可把现场检测的灵敏度提高到10-6量级。实验结果显示这种新型多次反射池在吸收光谱技术中应用良好,与传统同基长的反射池相比,气体检测灵敏度有了明显的提高。     

Tm3+/Yb3+共掺铋碲酸盐玻璃中的高效蓝色上转换荧光

制备了高折射率Tm³⁺/Yb³⁺共掺杂铋碲酸盐玻璃，利用棱镜耦合法测量出玻璃在632.8和1550nm波长处的折射率分别为2.0365和1.9795. 对玻璃的吸收、荧光和红外透过光谱展开了测试与分析，根据Judd-Ofelt理论对吸收光谱进行拟合，求得Tm³⁺的振子强度参数Ω_t(t=2，4，6)分别为3.90×10^-20, 2.03×10^-20和9.03×10^{-2 关键词： 3+}/Yb³⁺共掺')" href="#">Tm³⁺/Yb³⁺共掺 铋碲酸盐玻璃 光谱参数 上转换荧光     

中红外波段大气碳同位素激光吸收光谱研究

大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛,在其探测技术方面,激光吸收光谱技术具有体积小、可在线、灵敏度高等优点,在气体同位素探测中越来越受到重视。工作中研究了2.7 μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)可调谐半导体激光器的性能,在遵循12CO₂和13CO₂同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上,确定了合适的激光器输出波长。结合光程390.3 m的新型多次反射池,实现了大气中CO₂分子的δ13C同位素丰度探测。     

光纤模式混合器在差分吸收光谱系统中的应用研究

差分吸收光谱技术(DOAS)已经发展为监测对流层痕量气体的重要技术，一般采用光电倍增管(PMT)作为探测器.由于光电二极管阵列(PDA)在多道探测及像元灵敏性方面的优势，采用PDA代替扫描探测装置将能改善系统剩余噪声，提高系统性能.但实际应用中由于使用收发一体Cassegrain望远镜造成灯谱与大气谱结构不统一，在消除PDA像元间差异的过程中给系统带来误差，从而导致剩余噪声的标准偏差达到1.4×10^-3.根据光纤扰模原理在系统中加入自制光纤模式混合器很好的解决了上述难题，在实际应用中起到良好的作用，系统剩余噪声的标准偏差为3.4×10^-4. 关键词： 差分吸收光谱 扰模 模式混合器 剩余噪声