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。     

Chernin型多通池用于气溶胶消光系数的测量研究

本文将Chernin型多通池用于气溶胶消光系数的测量研究,在38.4 m吸收光程上可实现的探测灵敏度为18 Mm-1(5 s积分时间,30次平均)。结合标准气溶胶发生系统,通过对粒径为250 nm不同浓度单分散硫酸铵气溶胶消光系数的测量,得到在300、532、600 nm波长处的消光截面分别为1.410×10-9、3.727×10-10、2.948×10-10cm2,对实验结果进行误差分析表明该多通池系统可以用于气溶胶光学特性的定量研究。     

新型光学长程吸收池的仿真设计研究

为了解决传统的长程光学吸收池设计中镜面利用率低导致反射次数少的问题,根据传输矩阵理论,开展了离散型Herriott池的结构参数设计研究。基于MATLAB数值计算模拟详细研究了吸收池内光线的传输次数与机械结构参数、光线的入射位置及入射角之间的依赖关系。仿真结果为实际应用中设计便携式长程光学吸收池提供良好的参数和模型借鉴作用。     

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LED的非相干宽带腔增强吸收光谱技术

介绍了基于可见光波段高功率LED作为光源的高灵敏度宽带腔增强吸收光谱技术,该系统的探测灵敏度通过测量NO₂在472.3～479.3 nm范围内的吸收得到验证。将中心波长为457 nm的高功率LED发出的宽带非相干光耦合进入92.5 cm长、由两片高反射率透镜组成的高精度光学谐振腔内,使用CCD光谱仪(HR2000)测量透过光学腔的光强信号。腔镜在472.3～479.3 nm波长范围内的反射率通过O₂-O₂聚合物的吸收确定,实验测量了一系列低浓度NO₂气体样品,采用差分光谱拟合技术在80 s的平均时间内NO₂浓度反演的统计不确定性约为3.1 ppb(ng·mL-1)。     

一种光纤光声SO2气体浓度传感器的研究

论述了光声光谱信号的产生原理,研究了一种新型光声光纤SO2气体浓度传感器,建立了适合应用光纤作为传感器的数学模型。采用染料激光器作为激励光源,用光纤位移传感器代替传统的微音器,测量被气体吸收并转变为声压信号,从而对SO2气体浓度进行测量。给出了实验结果,分析了影响灵敏度的主要因素,提出了相应的改进措施。     

基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究

大气气溶胶吸收太阳辐射,直接影响地气系统辐射平衡,降低能见度,改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势,是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关,为了探究不同标定方案的差异,选择NO₂气体(532 nm)和单分散苯胺黑气溶胶(532、 1 064 nm)分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中,单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论,结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明：NO₂气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间,与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、 1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近,在其他粒径处存在一定差异。尽管NO₂气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征,对于同一标定系统,标定气体和气溶胶性质、状态不...     

基于ZEMAX的LED光源与光纤的耦合系统设计

在原有金属卤化物光源与光纤耦合结构的基础上,提出了一种新的光纤耦合方案,为了满足光供电系统的光功率需求,根据几何光学的理论,提出一种新的LED光源阵列排布方案。在对LED的发光特性研究的基础上,设计了一种新的光学准直方法,运用ZEMAX软件进行仿真,并对透镜参数进行了优化,准直结果角度控制在了±4°范围内。针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了聚焦耦合设计,弥散斑的RMS尺寸大小为7.410μm,GEO点尺寸为16.091μm,光学系统95%以上的能量集中在20μm范围之内,达到了很好的耦合效果。     

基于虚像相位阵列光谱仪的宽带高分辨率CO2吸收光谱测量技术研究

为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性,搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪,单帧谱宽约为25 nm(140 cm^-1),光谱分辨率为4.5 pm(0.024 cm^-1),结合改进的旋转光栅结构,实现了1.26～1.50μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池,在1.43～1.45μm处,以CO₂为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究,使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度,考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。     

全光纤傅里叶变换光谱仪的关键技术研究

研究一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪结构的全光纤傅里叶变换光谱仪(fiber fourier transform spectrometer, FFTS)。设计了光程调制范围可达2 cm的压电陶瓷光纤相位调制器,代替传统傅里叶变换光谱仪中的动镜产生光程扫描。实验中采用1 310 nm DFB激光器作为参考光源,对测试光干涉图进行等光程间隔采样,以消除压电陶瓷非线性光程调制产生的误差。通过对测试光干涉图做傅里叶逆变换得到测试光光谱图。利用该FFTS系统测量了ASE宽带光源的光谱,并将测量结果和光栅光谱仪测量结果进行了对比,结果表明两者所测ASE光谱线型一致。最后,利用光纤光栅作为样品,对FFTS系统的光谱分辨率进行了检测,光谱分辨率达到了0.78 cm-1。     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

用改进的分光计测量光纤理论数值孔径

为测量光纤数值孔径,对分光计进行改动,将准直管和望远镜系统对调,使准直管可以绕中心轴转动,采用体积小亮度高的LED作光源,并将其固定在准直管进光孔的狭缝处,以产生可以转动的平行光. 用改进后的分光计测量光纤的数值孔径,取得了满意的结果. 该方法简单易行,特别适用于大学层次的物理实验.     

LED光学特性的测量与研究

采用微型光纤光谱仪测量了LED的峰值波长、半高宽、光强的角分布及不同温度下的LED光谱.通过对LED光学特性的定性、定量测量及探究,有助于学生了解LED的原理和结构、相关特性及测量方法.     

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。     

开放光路非相干宽带腔增强吸收光谱技术测量大气NO2

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源,测量了436～470nm波段内NO2样气的吸收,验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430～490nm波段内的反射率,并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461nm处最大且为0.99937,光学腔长度为73.5cm时的最大有效光程为1.17km。当光谱采集时间为20s时,NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454～486nm波段内的吸收测量,结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度(1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

基于准分子激光器火焰中OH自由基测量技术研究

介绍了利用XeCl准分子激光器作为光源,测量酒精喷灯火焰中OH自由基浓度的实验方法与结果分析。以XeCl准分子激光器作为光源,采用Herriott结构多次反射池扩展光程至2 560 m,利用酒精喷灯作为OH自由基发生器,使用光谱分辨率为3.3 pm的高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统。详细描述了应用不包含etaloning结构的XeCl准分子激光器作为光源的原因,如何去除XeCl准分子激光器反应腔腔体中的水汽干扰等。选取308.145～308.175 nm波段范围对OH自由基浓度进行了反演,并与利用氙灯作为光源测量酒精喷灯中OH自由基浓度的结果进行了对比。     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

一种高信噪比的双光束激光光声光谱仪原理及应用

作为一种新兴的检测手段 ,激光光声光谱技术与其他检测技术相比具有很多优点。本文设计的光声光谱仪用激光做光源 ,有两个光声池 ,分别用来放置参考样品和待测样品 ,输出结果为二者光声信号的比值。利用这一比值 ,可以由参考样品的性能参数方便地求出待测样品的相关性能参数。该光声光谱仪有效地减小了本底吸收噪声的影响 ,提高了信噪比 ,扩大了固体光声理论的应用范围。本文还阐述了该光声光谱仪在定性定量分析中的一些应用