“光导型”全反射长光路毛细管吸光光度法——工作曲线的弯曲性,光通路、吸光度计算式及电子计算机的解析

本文应用光学的Snell折射定律,使用以二硫化碳为主的高折射率的液体做为混合溶剂,实现了入射光在吸收管中的全反射,制成了类似于液体光导纤维的光导型全反射长光路毛细吸收管(TR-LCC)。比普通的吸光光度法的测定灵敏度提高4个数量级以上。并进一步探讨了在TR-LCC中存在的两种不同形式的光通路——子午光线和螺旋光路,以及对测定灵敏度的影响。对决定吸光度的各种因素进行了理论的探讨,得出了在全反射长光路毛细吸收管吸光光度法中吸光度的理论计算式——对朗伯-比尔定律的补正式。同时运用微型电子计算机进行了计算解析,确定了由于吸收管壁的多重反射对于测定吸光度的增幅效果,以及其工作曲线是一条弯曲的曲线,偏离理想状态下的朗伯-比尔定律。     

光纤气体传感的双光路相位保持方法

在波长调制法的光谱吸收型气体传感器设计中,通常采用二次谐波检测技术.然而含有气体体积分数信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响了二次谐波信号测量结果.采用双光路相位保持设计来解决这一问题,设计包括移相电路和双光路两部分,移相电路由数字电路组成.调整方便,用来消除电路本身固有延时;光路部分通过增加一路不经气室吸收的参考光路,同检测光路组成双光路,保证无论光纤长度如何变化,被测信号和参考信号相位始终相同.在波长调制的基础卜引入双光路相位保持设计后,随被测信号相位0～90.变化,测量结果误差值低于士10%.这种设计提高了系统检测结果的稳定性,实现了恶劣环境中,任意距离任何位置的气体体积分数检测.     

关于全反射长光路毛细吸收管光谱学特性的探讨

本文探讨了在类似于液体光导纤维的全反射长光路毛细吸收管中存在的透过光谱的形变波幅的形变及波长位置的偏移,以及引起光谱形变的各种原因。并进一步探讨了把全反射长光路毛细吸收管做为分光比色皿使用的可能性。     

对反射式全息照相基元全息图的讨论

目前在一些教材中讨论反射式全息照相实验原理时,使用的反射式全息照相基元全息图,都与实际光路不符。究其根源,乃是因套用J.W.顾德门著《付里叶光学导论》的有关部分所致。该书在论述反射式全息图的理论基础时,参照的是厚膜全息基元全息图,而该图是说明透射式全息图成象原理的,与反射式全息照相实际光路并不一致。其根本不同点,在于实际光路是将物光和参考光从干板两侧引入,但基元全息图却从同侧引入。本文给出了改进的基元全息图,以弥补反射式全息照相实验原理的不足。一、反射式全息照相实际光路及所套用的基元全息图反射式全息照相通常采用下面两种光路,其一,为一般光路(图1);其二,为特殊光路(图     

基于红外差分检测的甲烷气体传感器

鉴于红外吸收法检测甲烷气体浓度时,误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分吸收技术来进行误差的补偿,减少各种干扰。基于红外差分检测原理,设计一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过,使测量光和参考光分时通过光路,实现了单光源单光路单探测器结构,消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差,提高了检测精度。实验表明,在0～6%浓度范围内,该传感器最大相对误差小于1%。     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统.该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测.实验表明,该系统的测...     

共轭读出法消除光致变色材料全息记录中的相位畸变

采用有机光致变色材料-吲哚俘精酰胺/PMMA薄膜作为可擦写全息记录介质,建立了一种能消除全息光存储中相位畸变的光路.此光路采用参考光的相位共轭光再现全息图,能有效消除物光路中由于光学元件失调和记录材料缺陷引起的相位畸变,是全息光存储中提高再现像像质的一种有用光路.     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

单光路冷原子吸收法在线测量气态痕量汞的研究

建立单光路冷原子吸收在线测Hg小型实验装置,应用Hydra AA全自动测Hg仪,采用湿化学法测量吸收液中的Hg浓度,通过测量结果计算出气体中的Hg浓度,测量结果表明渗透管渗透速率稳定。在此基础上,根据Lambert-Beer定律,通过原子吸收的方式测量痕量气态Hg的吸收强度,并与湿化学法测得的结果进行对比分析,实验结果与理论分析吻合较好,表明单光路条件下,冷原子吸收可用于纯净气体中Hg浓度的测量,进一步的研究应当以如何提高系统适应性及抗干扰能力为主要方向,光源强度的脉动可通过监测Hg的其他谱线来消除;外界环境的干扰,例如气体中存在粉尘或吸收池镜片存在污染等,可通过光电耦合变化作用予以消除。     

连续光源原子吸收光谱法测定分子吸收研究

连续光源原子吸收光谱法由于是使用高功率的高压短弧脉冲氙灯,其辐射波长为覆盖190~850nm范围的连续光源,且加之以高分辨率分光系统和可视化固态检测器,可对光谱测量中的分子吸收进行测定。该方法可以用于原子吸收光谱法(AAS)中的空气/乙炔火焰的背景吸收,也可以用于测定一些在火焰中可形成分子的元素的测定。同时,还可以用于测定其他的分子吸收及相关的研究。本研究主要应用连续光源的原子吸收光谱测定空气/乙炔火焰中的分子背景吸收。通过将普通的AAS燃烧头加以简单的改进,利用燃烧头水平/垂直光路的两次测定,能有效的测定空气/乙炔火焰中所形成的分子在不同波长条件下的分子吸收情况。     

Characterization of a near-room-temperature, continuous-wave quantum cascade laser for long-term, unattended monitoring of nitric oxide in the atmosphere

We report on power, spectral linewidth, and mode purity for a cw 5.3 microm quantum cascade laser operated on a thermo-electric cooler. A totally noncryogenic nitric oxide monitor was constructed by integrating this laser with an astigmatic multipass cell and a thermo-electrically cooled infrared detector. The resulting instrument is capable of continuous unattended monitoring of ambient, atmospheric nitric oxide for several weeks with no operator intervention. The detection method was rapid sweep, direct absorption spectroscopy. A detection sensitivity of 0.03 parts in 10(9) is achieved with 30 s averaging time with a path length of 210 m, corresponding to an absorbance path length product of 1.5 x 10(-10) cm(-1).     

腔增强吸收光谱技术中的腔镜反射率标定方法研究

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分支之一,在其应用过程中,腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统,使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜,以CO₂气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池,通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号,比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径,然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定;第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度,并结合数据库中的谱线线强值,实现了对腔镜反射率进行标定。结果表明,方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5,经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%,得到大气中CO₂气体的浓度为0.037 3%,与实际大气CO₂的含量相符合,验证了此方法的准确性;该方法的优点是不受样品浓度影响,但因引入新的参考池,需要两池中气体的压强和温度都保持一致,此方法适用于开放式的腔体结构。方法二中测得大气中CO₂分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱,并结合大气中CO₂气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3,Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1,计算得到镜片反射率约为99.84%;此方法优点是结构相较前一种方法更简单,但需要已知被测气体的分子数密度,因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定,根据两种方法的特点,在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。     

Low-level and ultralow-volume hollow waveguide based carbon monoxide sensor

We demonstrate an ultralow sample volume optical carbon monoxide sensor with detection sensitivity of 180 parts in 10(9) (1σ at 1 Hz). The utilization of a 2.3 μm surface-emitting laser directly coupled to a 3 m hollow capillary fiber as the gas cell is proven to be a compact, sensitive, and cost-efficient gas sensing concept. By mechanical vibration of the fiber, an absorbance resolution of 10(-5) is achieved, which is comparable to single-reflective (double-pass) cells. An improvement of sensitivity over the conventional single-reflective cell is thus approximately linearly scaled with the enhancement of the optical path length, which is usually more than 1 order of magnitude.     

基于可调谐二极管激光吸收光谱的气池光程可溯源测量

在碳中和的国际大背景下,精确可靠地定量测量大气温室气体浓度对实现碳中和目标具有重要意义,开发测量结果可直接溯源至国际单位制SI的气体分析仪是精确可靠监测温室气体浓度的重要方法。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是常用的气体浓度测量方法,根据比尔-朗伯定律,实现仪器的测量浓度直接溯源至SI的必要条件之一是可直接溯源的气池光程,气池光程的不确定度直接影响气体浓度的测量不确定度,对气池光程的可溯源精确测量有利于发展测量结果可直接溯源的气体分析仪。针对光程标称为81 cm的三次反射型气池光程可溯源测量需求,使用校准的米尺测量该气池光程得到的直接测量结果为(81.21±0.80) cm,较大的测量不确定度（0.80 cm）是综合考虑定位误差和三段光路与测量路径可能不重合导致的测量误差估算得到的。为了减小测量不确定度,本文搭建了TDLAS气池光程测量系统,测量系统以1 576 nm分布式反馈激光器为光源,通过在激光控制器上加载斜坡扫描电压来测量待测气池内标准高纯二氧化碳（CO₂,99.999%）在6 344.68 cm-1附近的吸收光谱,使用测量结果可直接溯源的压力传感器和温度传感器分别测量气池内的压强和气体温度,采用美国国家标准技术局最新测量得到的30012-00001跃迁带P 4e支线强（相对标准不确定度为0.15%）反演气池光程,使用二次速度依赖Voigt线型精确拟合不同气压（36~75 Torr）下的光谱吸光度信号获得对应气压的积分吸光度,全面分析各参量的测量不确定度及其传递过程,对不同气压下的积分吸光度进行线性回归分析,计算得到可直接溯源的气池光程为(81.61±0.42) cm,相对标准不确定度为0.51%,测量不确定度范围落在直接测量结果范围内,测量不确定度小于直接测量结果。本文气池的光路结构是多次反射长光程气池的简化,该系统同样适用于多次反射长光程气池光程的可溯源测量。     

1.653 μm处甲烷分子谐波探测技术研究

谐波探测被广泛应用于激光光谱技术中,利用它可以提高探测灵敏度。利用1.653 μm的分布反馈式(DFB)二极管激光器作为光源,建立了一套可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)甲烷探测装置。该装置利用由2块圆形柱面镜构成的光学多通池增加吸收光程,提高探测灵敏度。吸收池基长为15 cm,在112次反射情况下,有效吸收光程达到16.8 m,实现甲烷0.60×10-6(2 s采样时间)的探测极限,可应用于实际大气甲烷的痕量探测。     

Effective optical path length investigation for cubic diffuse cavity as gas absorption cell

A simple cubic-shaped cavity with a high-diffuse-reflectivity inner coating as a novel gas detection cell was developed. The effective optical path length (EOPL) was evaluated by comparing the oxygen absorption signal in the cavity and in air based on tunable diode laser absorption spectroscopy. The law for a spherical cavity was applied and modified to a cubic cavity as a function of reflectivity ρ, port fraction f, and the side length. Single-pass average path length of the cubic cavity was 0.723(7) times the side length. EOPL can be modified conveniently by adjusting the parameters of the cavity.     

Sub-part-per-billion detection of nitric oxide in air using a thermoelectrically cooled mid-infrared quantum cascade laser spectrometer

Non-cryogenic, laser-absorption spectroscopy in the mid-infrared has wide applications for practical detection of trace gases in the atmosphere. We report measurements of nitric oxide in air with a detection limit less than 1 nmole/mole (<1 ppbv) using a thermoelectrically cooled quantum cascade laser operated in pulsed mode at 5.26 μm and coupled to a 210-m path length multiple-pass absorption cell at reduced pressure (50 Torr). The sensitivity of the system is enhanced by operating under pulsing conditions which reduce the laser line width to 0.010 cm^-1 (300 MHz) HWHM, and by normalizing pulse-to-pulse intensity variations with temporal gating on a single HgCdTe detector. The system is demonstrated by detecting nitric oxide in outside air and comparing results to a conventional tunable diode laser spectrometer sampling from a common inlet. A detection precision of 0.12 ppb Hz^-1/2 is achieved with a liquid-nitrogen-cooled detector. This detection precision corresponds to an absorbance precision of 1×10^-5 Hz^-1/2 or an absorbance precision per unit path length of 5×10^-10 cm^-1 Hz^-1/2. A precision of 0.3 ppb Hz^-1/2 is obtained using a thermoelectrically cooled detector, which allows continuous unattended operation over extended time periods with a totally cryogen-free instrument. Received: 1 May 2002 / Revised version: 6 June 2002 / Published online: 21 August 2002 RID="*" ID="*"Corresponding author. Fax: +1-978/663-4918, E-mail: ddn@aerodyne.com     

Ultra-high-precision mid-IR spectrometer II: system description and spectroscopic performance

The development and spectroscopic performance evaluation of an ultra-sensitive, mid-IR spectrometer is reported. The laser system is based upon difference-frequency generation (DFG) at ～3.5 μm by mixing a DFB diode laser at 1562 nm and a DFB fiber laser at 1083 nm using a periodically poled LiNbO₃ crystal. DFG radiation was coupled to a 100?m optical path length astigmatic Herriott cell. Sensitive and selective spectroscopic detection of formaldehyde was performed with second-harmonic detection using Peltier-cooled HgCdTe detectors. By applying computer lock-ins, dual-beam optical noise subtraction, focus matching, thermal stabilization, active wavelength control, and advanced signal processing a sensitivity corresponding to an absorbance ～1.6×10^-7 is achieved for 260 s of averaging.     

Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser

We report what we believe are the first spectroscopic measurements to be made with a room-temperature quantum-cascade distributed-feedback laser. Using wavelength modulation spectroscopy, we detected N(2)O and CH(4) in the chemical fingerprint wavelength range near 8microm . The noise equivalent absorbance for our measurement was 5 parts in 10(5), limited by excess amplitude modulation on the laser output, which corresponds to a 1-Hz bandwidth detection limit of 250 parts N(2)O in 10(9) parts N(2) in a 1-m path length.     

基于近红外光谱技术的瓶装醋定性检测

采用近红外光谱直接对四种瓶装醋进行检测,并与比色皿检测方法获得的谱图进行了比较。结果发现,两种检测方法获得的谱图在近红外区域有明显差别,瓶装醋在1 480和1 900nm附近无吸收峰,而在1 660nm附近有一吸收峰,明显区别于比色皿检测获得的谱图;瓶装醋检测获得的吸光度最大值不超过4,而用比色皿所测值约为6,说明玻璃包装对其检测有一定的影响。本研究采用一阶导数法来消除此影响,并用主成分-神经网络方法建立了瓶装醋的定性分析模型,模型预测精度达到100%,表明一阶导数可以消除玻璃包装对瓶装醋近红外检测的影响,实现定性分析的目的。