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。     

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。     

免标定波长调制吸收光谱技术用于乙炔探测的研究

利用近红外可调谐半导体激光器结合自主设计的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术实现了乙炔气体的痕量探测;实验中,使用中心波长为1.53μm的分布式反馈二极管激光器和有效光程为10.5m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术对乙炔气体进行探测,并利用Allan方差对系统性能进行分析;对免标定波长调制吸收光谱技术与传统波长调制吸收光谱技术进行对比分析。结果表明:相比于传统的波长调制技术,免标定波长调制吸收光谱技术具有系统结构简单、灵敏度高以及浓度和光功率免标定等特点,可以提高系统的探测灵敏度和测量精度;使用免标定波长调制吸收光谱技术时,系统的测量误差小于5%,测量精度是传统波长调制技术的3.5倍,平均时间为1s时的系统探测灵敏度为0.127×10~(-6),平均时间为118s时的系统探测灵敏度可达0.031×10~(-6)。     

基于光纤耦合宽带LED光源的Herriott池测量NO_2的研究

本文针对气溶胶吸收光声光谱仪需用较高浓度二氧化氮(NO_2)进行标定的需求,开展了基于光纤耦合宽带LED光源的Herriott型多通池测量NO_2的研究,解决了NO_2的简便、快速和高精度测量问题.首先依据光线传输理论、仿真分析了Herriott型多通池,并采用优化的仿真结果设计了有效光程为26.1 m的光学多通吸收池,以增强吸收池内待测NO_2气体的光吸收.针对LED光源的发光面、发散角大,常规准直的输出光难于在Herriott型多通池内来回传输的问题,本研究中将LED光源的输出光耦合进入一根单模光纤,然后用透镜准直后导入光学多通吸收池中,实现基于光学多通吸收池的宽带LED吸收光谱测量NO_2浓度,最终实现了对NO_2检测浓度极限1μmol/mol的预期设计值,对46μmol/mol的NO_2测量结果表明,测量精度达到0.1%.最后开展了此NO_2测量系统与气溶胶吸收光声光谱仪同时测量不同浓度NO_2的观测研究,结果表明所测量NO_2浓度与光声光谱信号呈现出很好的线性关系,线性度优于99.9%.基于宽带LED光源和Herriott型多通池的NO_2测量系统,具有价格低廉、结构简单和易用的特点,可以满足NO_2吸收法标定气溶胶吸收光声光谱仪的需求,也可用于化工领域对NO_2的快速分析测量.     

1.65μm附近CH_4分子高分辨率吸收光谱研究

采用连续可调谐二极管半导体激光器为探测光源,以可调怀特型长光程多通池(46.36～1158.90m)作为吸收池,采用直接吸收的方法,探测了室温下1.65μm附近CH4分子的高分辨率吸收光谱。在6043.00～6053.72cm-1范围内探测了5组不同压力和光程下的吸收光谱,观测到了259条线新的CH4分子吸收谱线,实验数据用Gaussian线型进行拟合,得到了这些吸收谱线的线强、线位置以及线强的标准偏差值,并对光谱中难以分辨的吸收谱线进行了分析。探测得到的最小谱线线强是4.3×10-27cm-1·(molcule·cm-2)-1,吸收谱线线强大于3.0×10-24cm-1·(mol·cm-2)-1由于吸收饱和而未被处理,同时所测得的光谱也显示出CH4分子在1.65μm附近有非常丰富的弱吸收谱线和复杂的结构。文中所报道的吸收谱线都是HITRAN2004数据库中所未报道的,而且也未见有其他文献报道过。     

基于中红外QCL激光和新型多通池高灵敏度测量CO和N_2O的研究

利用量子级联激光器(QCL)结合新型小型化光学多通吸收池高灵敏度同时测量CO和N2O痕量气体。所用激光为工作在4.3 mm附近的宽调谐、无跳模外腔量子级联激光器,激光在较短的时间内(1 s)连续波长扫描,并覆盖N2O(2203.73333 cm-1)和CO(2203.161 cm-1)两种分子的吸收谱线,从而实现对N2O和CO的同时测量。利用物理基长为12 cm的新型小型化光学多通吸收池,探测光在吸收池内来回反射243次,有效光程达到29 m。利用波长调制吸收光谱和二次谐波探测技术实现了对N2O和CO的高灵敏度探测,测量系统的最低可探测浓度极限约为2.0×10-9(N2O)和1.7×10-9(CO)。     

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。     

5.33μm处磁旋转吸收光谱NO分子探测研究（英文）

本文基于直流磁场的磁旋转吸收光谱技术探测研究一氧化氮分子的痕量.使用5.33μm连续波量子级联激光器作为探测光源,结合C hernin型光学多通池,在1875.81 cm~(-1)(~2Π_(3/2)(3/2),v=1←0)波长处进行探测.108 m吸收光程下,实现了1.15 ppbv的探测极限(1s,1σ).当采样时间延长到15 s,探测极限可提高至0.43 ppbv.     

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

1μm波段水分子吸收光谱双光程同步测量方法研究

基于双光程气体多通吸收池,提出了一种单吸收池双光程(长光程:72.46 m;短光程:36.23 m)同步测量水分子吸收光谱的测量方法,并结合窄线宽外腔半导体激光器和高精度Fabry-Perot标准具,发展了一套1μm波段的高分辨率水分子吸收光谱双光程同步测量装置.在测量装置建立后,精确测量了Fabry-Perot标准具的自由光谱范围,并详细评估了该系统中Fabry-Perot标准具以及双光程气体多通吸收池内压力和温度的稳定性.利用该装置测量了9152.53 cm~(–1)处水分子在双光程下的吸收光谱,分别反演得到了长光程和短光程下的分子吸收线强和自加宽系数.双光程吸收线强和自加宽系数的平均值与HITRAN2016数据库相应数据的相对偏差分别为0.78%和3.8%,该结果验证了双光程同步测量方法的可行性和测量装置的可靠性.     

基于Er∶YAG单频可调谐激光器的甲烷吸收光谱测量

采用1.6μm激光差分吸收是探测甲烷(CH4)气体浓度的一种重要手段。通过对CH4气体吸收光谱的理论分析及计算,并基于Er∶YAG单频可调谐激光器,在实验室测量了CH4气体对1.645μm激光的吸收谱线。实验结果对研制用于测量CH4气体浓度的差分吸收激光雷达光源有重要意义。     

基于Er∶YAG单频可调谐激光器的甲烷吸收光谱测量

采用1.6μm激光差分吸收是探测甲烷(CH4)气体浓度的一种重要手段。通过对CH4气体吸收光谱的理论分析及计算,并基于Er∶YAG单频可调谐激光器,在实验室测量了CH4气体对1.645μm激光的吸收谱线。实验结果对研制用于测量CH4气体浓度的差分吸收激光雷达光源有重要意义。     

基于半导体激光的腔增强吸收光谱技术研究

用近红外可调谐分布反馈(DFB)半导体激光器作光源,用反射率为99.7%左右的平凹镜组成的稳定光学谐振腔作吸收池,建立了一套腔增强吸收光谱(CEAS)系统.根据系统工作时激光器与谐振腔的工作状态,将CEAS技术分为三类:控制波长法,控制腔长法及同时扫描波长和腔长法.以二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)为主要样品气体,用控制腔长法和控制波长法CEAS技术对CO2分子在1.573μm附近的吸收光谱做了测量;用扫描腔长和波长法CEAS技术对CH4气体在1.316μm附近的吸收光谱做了测量;考察了三种方法的探测灵敏度和在定量分析方面的能力.实验结果表明,CEAS技术是一种装置简单,操作方便,灵敏度高,稳定性好的定量吸收光谱技术,探测灵敏度达1.15×10-7cm-1.     

一种螺旋型的紧凑多光程池

随着社会经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染时有发生。利用光谱技术测量有害气体的浓度,可以对空气进行实时监测。在弱吸收条件下,利用多次反射池可以增加有效光程,从而提高吸收光谱的探测灵敏度。基于Herriott型多光程池的结构,提出了一种紧凑型多光程池。该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成,入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播,形成有规律的放射状分布,光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径,光斑呈螺旋形分布。实现了入射光和出射光的分离,从而增加了光路的可调空间。由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比,可以根据实际需要选择合适的光程。另外,该反射池的主体是一个圆筒,具有稳定的机械性能和一定的抗震性。利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性,通过模拟发现光束通过透镜后,焦点会聚在圆筒中心附近,能使入射光斑在池中收敛,并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。还研究了在不同入射角条件下的旋光特性,发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。当入射角相同时,旋转角度随着反射次数的增加而增大。     

5.33 μm处磁旋转吸收光谱NO分子探测研究

本文基于直流磁场的磁旋转吸收光谱技术探测研究一氧化氮分子的痕量. 使用5.33 μm连续波量子级联激光器作为探测光源,结合Chernin型光学多通池,在1875.81 cm^-1(²∏_3/2(3/2),υ=1←0)波长处进行探测. 108 m吸收光程下,实现了1.15 ppbv的探测极限(1s,1σ). 当采样时间延长到15 s,探测极限可提高至0.43 ppbv.     

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DFB型半导体激光器的腔增强吸收光谱研究

介绍了用DFB型可调谐半导体激光器做光源的腔增强吸收光谱(TDL-CEAS)技术.简要介绍了腔增强吸收光谱的发展和实验设计,从法布里-珀罗腔的角度解释了腔增强吸收光谱的有效吸收路径,阐述了腔增强吸收光谱具有高灵敏度的主要原因是腔内介质能够获得很长的吸收光程;用中心波长为1.573μm的DFB型可调谐近红外半导体激光器做光源,用两块高反射率平凹透镜(1.573μm附近,反射率约99.4%,凹面曲率半径为1 m)组成的光学谐振腔做吸收池,采用同时扫描激光和谐振腔的方法,在34 cm长的吸收池内测得了CO2分子在1.573μm附近的弱吸收谱线,探测灵敏度达1.66×10-5cm-1.实验结果表明,腔增强吸收光谱具有灵敏度高、分辨率高、实验装置简单、易于操作等优点.     

基于Zemax的新型对称式气体吸收池设计

为了降低光学气体浓度传感器的制造成本,利用Zemax光学设计软件设计并优化了一种适用于热光源的米级光程红外气体吸收池结构。结构由两个准直、聚焦光线的抛物面反射镜和五个用于增加光程的平面镜构成。仿真结果表明,气体吸收池由于几何结构导致的光功率损耗仅为1%,其光程达到了1049.75mm,对比传统透镜结构的气体吸收池,此结构具有体积小、光程长、损耗率低以及拓展性强等特点,可应用于构建低成本、亚PPM级红外气体传感器。     

基于量子级联激光器和长光程气室的甲烷传感器

根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH₄)气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5 μm的QCL,通过在室温条件下调节其注入电流(500 mA～1.6 A调节范围),其出射光波长可以扫过CH₄(1 332.8 cm-1)气体吸收线。同时使用了一种紧凑型MPC(40 cm长,800 mL采样容积),使得系统有效总光程达到16 m。此外,系统中使用了参考气室,并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求,配合差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好,按信噪比为1计算,可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO和CH_4实时检测系统设计

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)具有高灵敏度和高分辨率等特点,被广泛应用在痕量气体的快速检测中。研制了基于TDLAS的开放式长光程CO和CH4实时检测系统,采用直接吸收的方法,避免了波长调制技术中必需的浓度标定,结构简单。利用STM32进行数据采集处理,获取气体浓度值和光强变化值,通过串口屏实现浓度和光强值的在线显示以及浓度和光强随时间变化的曲线显示,并将浓度数据存储在SD卡中,取代上位机操作,实现检测系统小型化。利用中心波长在2333 nm附近的激光器结合直接吸收的方法,在往返750 m的长光程上,对合肥市科学岛的大气CO和CH4进行同时检测实验。检测结果表明,大气中CO浓度值整体低于CH4值。对该系统进行长时间的测试,验证系统稳定性,CO系统检测限为0.205 mg/m3,CH4为0.181 mg/m3。