基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先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,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

可调谐半导体激光吸收光谱技术的调制参量影响及优化选择

为获得较好的谐波信号,完成不同测量目的,以DFB-760.77nm波长处氧气监测为例,通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值,讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明:Sinmulink模拟值和实验值相关性较高,当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.     

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。     

采用小波分析方法降低可调谐半导体激光吸收光谱技术测量下限的实验研究

基于可调谐激光吸收光谱技术,主要采用数据处理的方法如互相关、小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术,对较低浓度下的NH₃进行了降低测量下限的试验研究。采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν₂+ν₃ NH₃吸收谱线,其强度远高于1.5 μm处谱线,结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH₃进行了测量。为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优,实验在调制系数为2.2左右的情况下,通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号,其中信号处理部分主要采用相关分析、多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。结果表明,经过数据处理以后的谐波信号,其检测下限降低到处理前的约百分之一,且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响,将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合,这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。     

谐波探测在Cs原子饱和吸收光谱中的应用

使用低频波长调制和高次谐波探测来测量Cs原子D₂线6S_1/2(F=4)→6P_3/2(F’=3、4、5)跃迁的方法,对谐波信号的展宽特性和灵敏度进行了分析.结果显示,减小调制电压可以压窄线宽,提高分辨率;在一定范围内增大调制电压可以提高谐波信号强度,提高测量灵敏度;提高分辨率要以损失灵敏度为代价.提高谐波次数可以提高分辨率.高次谐波可以获得高的灵敏度和分辨率.     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系。通过研究不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线,分析了它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和功率调制参数,从而使二次谐波曲线的稳定性和形状达到最佳。     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

中红外量子级联激光气体检测系统

为了满足基于室温连续量子级联激光器(QCL)的中红外气体检测系统的需求,研制了板级量子级联激光器的驱动电路以及谐波锁相放大电路。通过信号发生电路产生高精度的直流偏置信号、低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号,控制激光器的工作电流,进而扫描/调制激光器的输出波长;为了探测痕量气体吸收光谱的二次谐波信号,并获得较高的信噪比,研制了锁相放大电路,主要包括倍频电路、正交转换电路和数据转换电路;为了提高系统的稳定性和可靠性,研制了高稳定性的线性供电电路以及保护电路.采用中科院半导体所研制的波长为4.76μm的QCL作为光源,开展了电学系统的功能验证实验以及气体检测实验.实验结果表明:QCL驱动电路线性度为0.006 3%,长期电流稳定度为5.0×10~(-5),QCL光强稳定度为5.07×10~(-4);锁相放大器系统具有较高的稳定性和较低的误差,一次谐波的最大误差在2.4%以内,二次谐波的最大误差在5.5%以内.通过动态配气方式开展了低浓度一氧化碳(CO)气体检测实验,在0~100×10~(-6)范围内,二次谐波信号的幅值与CO气体浓度具有较高的线性度(拟合优度0.99),表明所研制的电学系统具有良好的稳定性和可靠性,为中红外CO气体的检测提供了安全可靠的保障.     

High-resolution Reflection Spectroscopy ofCs D_2 Line Studied by High-order-harmonic Detection

In this paper, by numerical analysis the relationship of the modulation broaden index with modulation index using high-order-harmonic detection is investigated. Using the voltage modulation the 2f,4f and 6f harmonic signals about the reflection spectroscopy of 6S1/2(F = 4) →6P3/2 transition of the cesium D2 line are also be measured. The experimental results are in good agreement with the theoretical predictions. It is found that narrower line-width can be achieved by higher-harmonic detection than the line-width detected by direct absorption when the modulation index is smaller than 1.81, 2.98 and 4.14 for 2f, 4f, and 6f signals, respectively.     

High-resolution Reflection Spectroscopy of Cs D2 Line Studied by High-order-harmonic Detection

In this paper, by numerical analysis the relationship of the modulation broaden index with modulation index using high-order-harmonic detection is investigated. Using the voltage modulation the 2f,4f and 6f harmonic signals about the reflection spectroscopy of 6S1/2(F=4)→6P3/2 transition of the cesium D2 line are also be measured. The experimental results are in good agreement with the theoretical predictions. It is found that narrower line-width can be achieved by higher-harmonic detection than the line-width detected by direct absorption when the modulation index is smaller than 1.81, 2.98 and 4.14 for 2f, 4f, and 6f signals, respectively.     

群速失配对CsLiB6O10晶体谐波脉冲展宽的影响

对超短强激光脉冲在CsLiB6O10晶体中的群速失配进行了理论分析,采用傅里叶变换法推导超短脉冲二次谐波的耦合波方程。在Ⅰ类相位匹配下数值计算了脉冲宽度50fs的基波532nm,在CsLiB6O10晶体长度为0．5mm时产生二次谐波(266nm)的群速延迟量约100fs,并且随着晶体长度的增长,二次谐波的脉冲宽度几乎线性展宽。并得到了群速失配量△β1^（2）226．243fs／mm,低阶和二阶群速色散系数分别为β2^（3）=210．120fs^2／mm,β2^(3)=65．587fs^3／mm。其结果表明由于群速延迟和群速色散导致了谐波脉宽展宽和形变。     

Measurement of the wavelength modulation indices with selective reflection spectroscopy

The wavelength modulation indices are measured based on harmonic amplitude ratio of 4famp/6famp (4famp and 6famp are the 4- and 6-th harmonic central peak amplitudes correspondingly) with the Doppler-free selective reflection modulation spectroscopy. The experiments for the 6S1/2(F = 4) → 6P3/2(F' = 5) transition of cesium D2 line with 30-MHz linewidth were carried out. The 4f- and 6f-harmonic signals were detected with two digital lock-in amplifiers separately. The maximum error for modulation indices measurement was ±0.1 within the range of m from 3 to 6. The non-linear modulation behaviour of an external cavity diode laser induced by voltage tuning was studied with this method. The method for modulation indices measurement does not require a solid etalon as usual for measuring the wavelength modulation depth and the absorption linewidth correspondingly.     

利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于6 105.369 4 cm-1处的弱吸收线的高次谐波,并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制,用Visual Basic 6.0编制了一套通信应用程序,界面友好。实验结果与理论分析相吻合,充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波,能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测,从而为高灵敏探测污染气体提供了一种简单有效的实验方法。     

中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性,使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理,给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响,使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。结合原理框图,通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案,描述了自主研制的软、硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考,并给出传感器光学配置实物图。而且,为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽,对气压和调制深度进行优化,研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系,最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1,对应的调制信号幅度为~0.026 V。此外,基于优化后的气压和调制深度,使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。详细介绍了ICL扫描调制信号、锁相放大及数据采集单元的参数设置,并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号,估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。最后,使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试,并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。而且,使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。结果显示,该系统工作稳定,积分时间为4 s时,乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。通过增加系统积分时间至63 s,系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。     

基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术结合波长调制光谱(WMS)技术是用于痕量气体检测的重要技术手段。通过锁相放大器进行谐波检测,对解调得到的二次谐波信号进行分析可获得气体吸收的信息。但由于二次谐波信号受到噪声的影响,降低了检测系统的精度和稳定性。为了提高TDLAS检测系统的信噪比(SNR),提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法。以CH₄在1 653.72 nm处的吸收光谱为例,通过仿真和实验对该降噪方法的有效性进行了验证。仿真结果表明,通过Gabor变换对信噪比为0dB的二次谐波信号进行处理后,系统的信噪比可提高15.73 dB。实验结果表明,基于Gabor变换进行降噪处理后,CH₄浓度在0.001%～0.02%区间内与二次谐波峰值的线性相关系数r达到了0.996 59,且系统的检测精度和稳定性明显提高。