基于功率增强型QEPAS技术的二氧化碳气体高灵敏检测研究

二氧化碳(CO₂)是环境大气以及燃烧废气的主要成分,同时也是重要的化工原料,对其浓度进行高灵敏度检测在物理、生物、化学等众多学科中均有重要的应用。传统检测方法已经无法满足国防科研、能源化工、医疗诊断等科技前沿领域中对CO₂浓度检测的需求。石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种激光检测技术,具有高分辨率、小体积、对环境噪声免疫等优点。基于QEPAS技术探测灵敏度与激励光功率成正比的特性,以中心波长为1 572 nm的窄线宽分布反馈式半导体激光器为激励光源,将掺饵光纤放大器(EDFA)与QEPAS技术联用,提出了功率增强型QEPAS技术,实现了光声信号的大幅度提高。此外,通过波长调制技术、谐波解调技术以及电调制相消技术的使用,成功将装置的整体噪声压制在音叉式石英晶振的理论热噪声水平。激光波长调制深度对装置信号幅度的影响也通过实验在一个标准大气压下进行了研究。结果显示,对6 361.25 cm-1处CO₂气体吸收线,当激光功率为1 495 mW,调制深度为0.33 cm-1,系统探测带宽为0.833 Hz时,功率增强型QEPAS装置对CO₂的探测灵敏度为3.5 ppm,归一化等效吸收系数为1.01×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。     

基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源, 结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置, 设计了一款高灵敏二氧化氮传感器. 电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269, 在标准大气压和1 s积分时间下, 获得的探测灵敏度为4.5 ppb, 对应的归一化噪声等效吸收系数(1σ )为2.2×10^-8 cm^-1·W/Hz^1/2. 延长积分时间到46 s, 灵敏度能够进一步下降到0.34 ppb. 气体流速对该传感器的影响也被研究.     

灵敏的基于分布反馈式半导体激光波长调制光声光谱

利用室温下单模运行的近红外半导体二极管激光,报导了波长调制共振光声光谱结合二次谐波探测技术.实验系统应用到乙炔探测,在1个标准大气压和3毫瓦平均光功率以及3毫秒锁相积分时间条件下其探测灵敏度可达10ppm(体积比),归一化到激光功率和系统带宽最小可探测吸收为4.0×10-8Wcm-1/Hz,并且实验中发现系统最佳压力响应值在2.66×104Pa附近.本实验装置可有效的消除光声光谱系统中常见的窗片和光声腔壁吸收入射光而引起的背景噪声.此外,相对于其他方法我们描述的基于半导体激光共振光声光谱具有很大的优点,为进一步发展便利、实用、便携式环境监测仪器奠定了坚实的基础.     

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。     

面向SF_6气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser, DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计,在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84,相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证,差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍,且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后,在1 s的积分时间下,获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18×10~(–6),对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68×10~(–8) cm~(–1)·W·Hz~(–1/2).该传感器的灵敏度高,选择性好且噪声免疫能力强,可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.     

利用石英增强光声光谱技术在2.0μm处实现高灵敏CO_2检测的实验研究

基于石英增强光声光谱技术,以中心波长为2.0μm的窄线宽分布反馈式半导体激光器(DFB)为激励光源,采用波长调制及二次谐波解调技术通过改变激光器工作电流实现波长扫描完成了痕量CO2气体检测系统,并通过优化实验参数确定了常压下激光最佳调制深度,实现了高灵敏CO2浓度的检测。通过改变待测气体中的水汽浓度,研究了水汽对CO2气体探测结果的影响,结果显示在水汽浓度低于0.2%范围内,CO2气体光声信号随H2O浓度的上升而明显增强,当浓度高于此值后,H2O浓度的增加对CO2光声信号的增强作用几乎维持不变。数据显示,常温常压下H2O分子通过提高分子弛豫率最多可将二氧化碳R16吸收线的光声信号幅值提高约2.1倍。优化后的装置可以很好的实现大气中CO2浓度的检测。该装置获得的最小探测灵敏度为19ppm(1σ,300ms积分时间),相应的归一化噪声等效吸收系数为4.71×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).     

基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO_2的研究

CO_2是大气的重要组成成分,也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气的产物。一方面大量的人源排放CO_2进入大气是引发温室效应最主要因素,另一方面, CO_2是窒息性气体,在封闭环境积累过高的CO_2会导致窒息等安全问题。因此发展小型化、高灵敏度的CO_2检测技术在大气环境探测、封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术,采用相对简单的离轴结构方案,开展了探测CO_2的研究。离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、灵敏度高、抗干扰、成本低、功耗低,对激光器要求低等优点,在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。近年来,尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟,为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、能量更高的激励光源,使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度,实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线,选择2.004μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源,通过波长调制方式来激发CO_2光声信号,并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。实验中通过对进样CO_2气体加湿、优化调制振幅等方式提高检测性能,实现了空气CO_2的探测。在常压下,通过配气仪配置不同浓度的CO_2样品,开展了浓度与信号的响应特性研究,获得了良好的线性响应结果。同时也开展了相同浓度CO_2样品在不同压力下的信号测量研究,并用Allan方差对系统性能进行评估。结果表明,当平均时间为1 000 s时,系统的探测极限为4×10~(-3)μL·L~(-1),在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号,常压下系统对CO_2的最小探测灵敏度为15μL·L~(-1),相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10~(-9),在150 Torr下最小探测灵敏度为6μL·L~(-1)。     

CO2分子的近红外二极管激光吸收光谱灵敏探测

利用近红外二极管激光波长调制技术与二次谐波探测结合初步观测了CO2 分子在波长 1.5 7μm附近的吸收 ,获得了最小可探测吸收为 8.6× 10 -5(信噪比为 2 ) ,对应 5 0 0× 10 -6m-1的探测灵敏度。     

双光程光声光谱甲烷传感器

利用甲烷(CH₄)气体分子在1.6 μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH₄气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1 s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21 ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。     

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10~(-4)(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10~(-7)cm~(-1).W·Hz~(-1/2).     

近红外波段CO2分子弛豫动力学效应对光声信号的影响

介绍了一种基于低功率的分布反馈式(DFB)半导体激光器和自行设计的一阶纵向共振光声池构成的共振光声光谱测量系统.该系统具有结构简单、操作方便、价格低廉等优点.通过对光声池的性能进行的研究,实验研究和理论分析具有很好的一致性;系统地研究了近红外1.573μm附近分子弛豫效应对光声探测CO2信号的影响,并给出了相应的理论分析,表明利用分子弛豫效应可有效地提高系统探测灵敏度.     

适用于测量大气气溶胶吸收系数的光声光谱系统的研究

外部噪声和环境温湿度变化对光声池性能的影响是光声光谱技术在实际大气气溶胶吸收测量应用中遇到的主要问题。详细分析了环境温湿度变化引起的共振频率漂移对光声信号的影响,提出了抑制流动噪声和采样泵振动噪声的方法,研制完成了一套测量大气气溶胶吸收的光声光谱系统,探测极限为1.4×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。利用NO₂气体在532 nm的吸收对光声池进行了标定,并对实际大气气溶胶的吸收特性进行了测量,结果表明光声光谱测量系统可以满足自然悬浮状态下的气溶胶吸收系数的实时测量。     

珐珀解调的石英增强光声光谱气体探测系统

提出一种珐珀解调,适用于开放环境的全光式石英增强光声光谱气体探测系统。基于石英增强光声光谱系统,采用法珀干涉解调代替传统的电解调方式,通过拾取石英音叉的叉指侧面与光纤端面之间形成的法珀腔的腔长变化解调得到被测气体的光声光谱信号。构建了实验系统,在开放环境中完成了对空气中水蒸气的探测实验,得到其归一化噪声等效吸收系数为2.80×10-7 cm-1.W.Hz-1/2。结果表明,该探测系统的探测灵敏度是传统石英增强光声光谱探测系统的2.6倍。该系统具有极强的抗电磁干扰能力、能够用于易燃易爆气体检测、适用于高温、高湿度等恶劣环境并实现远距离多点、组网探测。     

积分球冷原子钟探测光功率自动稳定实验研究

建立了微瓦量级的激光功率自动稳定实验装置,通过自动反馈控制声光调制器的衍射效率,实现了激光功率的自动稳定。激光功率稳定后,激光相对强度噪声得到有效抑制,接近散弹噪声极限,激光功率的长期稳定度优于2×10-5(1000s)。推导了功率自动稳定系统的环路方程,分析了激光功率稳定环路对相对强度噪声的抑制作用。稳定后的激光应用于积分球冷原子钟的钟跃迁探测,对原子钟稳定度的影响小于1×10~(-13)τ-~(1/2),积分球原子钟的频率稳定度优于5×10~(-13)τ~(-1/2)(τ为取样时间)。     

基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

光声信号强度与光功率成正比,然而,高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点,此类光源多集中在>6 μm波段,难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。而且,基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大,不能满足多点连续移动监测工作的需要。利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法,在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。使用的ICL靶向乙烷(C₂H₆)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法,结合波长调制光谱技术,实现了高灵敏检测,同时,有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。首先,结合系统原理结构,顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节。分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况,以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响,最终确定系统工作气压为200 Torr。然后,通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C₂H₆进行单周期光谱扫描测试分析,推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试,系统线性性能良好,相关度为0.999 65,同时,明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。最后,通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V,由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。介绍的新型中红外C₂H₆传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量,而且,使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积,弥补了使用商用仪器占用体积大的不足,为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础。此外,对于功率消耗无限制的其他应用,可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度,并应用于更多场景。     

基于石英增强光声光谱的HCl痕量气体高灵敏度探测研究

HCl是一种有毒有害气体,对其高灵敏度探测具有非常重要的意义,然而到目前为止,采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。以5 000 ppm HCl∶N₂混合气作为待测目标,采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器,开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。研究中,首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论,选择了“共轴”形式的声波微共振腔,并对其尺寸进行了优化,选择的微共振管长度为4 mm、内径为0.5 mm。实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,当QEPAS系统积分时间为1 s、激光波长调制深度为0.23 cm-1时,获得了815 ppb的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。在后续的实验中,可在待测HCl气体中加入水汽分子,提高HCl分子的热弛豫速率,进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。     

基于CEEMDAN的光声光谱CO检测技术

为实现高灵敏度痕量CO气体探测,设计并实现了一种基于光声光谱的CO气体传感器,采用近红外分布反馈式激光器和掺铒光纤放大器作为激励光源系统,结合双通道差分光声池降低系统噪声。用自适应噪声的完备经验模态分解算法结合Savitxky-Golay滤波器对采集的非线性光声信号进行降噪,通过评估降噪后分量与原始信号的相关系数选取有效模态并重构。实验结果表明,室温和常压条件下,积分时间为100 ms,经算法处理,该系统CO检测信噪比提高至原来的4.6倍,最低检测极限降低到2.6×10^-6,且该传感器对气体浓度具有良好的线性响应,验证了该算法在提高光声光谱系统检测性能方面的可行性与有效性。     

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点.本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点.采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO2进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10-3的探测极限.通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10-6.采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测.