基于角反射镜的气体传感器

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性,提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程,构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定,差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时,电池的检测阈值接近50 ppm     

改进的Herriott型光学长程池

用凹面反射镜和平面反射镜组成结构简单、光路易调的光多次反射装置,计算了这种光学系统的稳定性条件。考察实际入射光束的直径和发射角,给出了最大反射次数的求法。制成适用于钛宝石激光光声光谱仪的光56次通过的长程池。理论计算的反射光斑分布与实验观测一致。这个技术有利于提高光声光谱和吸收光谱的探测灵敏度。     

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。     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱;针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱|针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

多元热流体激光检测及杂光抑制光路

为实现多元热流体组分含量激光在线检测,根据多次反射吸收光谱原理提出了长光程开放光路反射阵列光学池,研究了不同光斑直径下光束发散角和对准误差对多元热流体检测系统接收效率的影响,并且针对高温注汽管道内壁产生的杂散辐射提出一种新型消杂光结构。研究结果表明:反射镜镀膜为银膜,光学窗口材料为熔融石英,多次反射结构的最佳反射次数为40次,有效吸收光程为220 cm;对于不同光斑直径的检测光束,发散角与对准误差的增大对系统接收效率的衰减趋势和衰减幅度基本一致;离轴角为5°时,系统点源透射比(PST)为1. 21×10~(-7)。最后通过高温管道内壁热辐射抑制实验验证了杂光抑制结构的有效性。     

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。     

基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测

因为器件性价比高、可复用、远距离探测,抗电磁辐射等优势,基于内腔光纤激光器的气体光谱检测方法受到了广泛的关注.通过精心设计气室和反射镜,建立了内腔光纤激光器气体检测系统.在锯齿波电压驱动下,F-P可调谐滤波器连续调谐,实现了波长扫描,可获得多条气体吸收谱线,一次扫描相当于多次测量,极大的提高了测量灵敏度.实验结果表明,...     

多元热流体原位检测光路及外部热辐射抑制分析

注多元热流体组分含量的在线检测对调控稠油采收率有重要影响。阐述了多元热流体原位检测的长光程光路设计,研究了光束发散角对检测系统接收效率的影响,定量分析了注气管道高温内壁的杂散辐射强度,利用蒙特卡洛光线追迹法验证了离轴接收系统杂光抑制结构的有效性。结果表明,反射镜镀膜为银膜,光学窗口材料为熔融石英,多次反射结构的最佳反射次数为42次,有效吸收光程为220cm;系统接收效率随发射光束发散角增大而减小,当发散角控制在1.8mrad内,光学接收效率大于40%;在杂光入射离轴角为5°时,系统PST仅为5.66×10-8,当离轴角大于10°时,PST维持在10-14数量级以下,可有效抑制高温注气内壁对系统信号接收的干扰。     

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)。     

基于差分光声池结构的高灵敏度一氧化碳气体传感器(特邀)

搭建了一套高灵敏度的光声一氧化碳气体传感器。采用波长为1 566.3 nm的近红外分布式反馈激光器作为激励光源,并利用商用光纤放大器将激光功率泵浦到10 W量级,解决了由于近红外波长区域吸收线强较弱带来的探测灵敏度低等问题。设计了由两个结构完全相同的光声共振腔构成的双通道差分光声池,抑制了由高功率激光引入的窗口噪声。通过优化传感器的激励光功率和工作压强,在50 ppm的CO/N_2标准气中,获得的光声信号幅值为1.38 mV,1σ噪声为0.96μV,探测信噪比为1 437.5,探测灵敏度为34 ppb,归一化噪声等效系数为1.74×10~(-8)cm~(-1)W/Hz~(1/2)。     

共振光声光谱系统中椭球形光声池的理论分析

实时在线气体检测在石油化工、现代工业、环境、医学诊断、智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术,由于其具有检测灵敏度高、选择性强、分辨率高、检测范围宽、可实时在线监测等优点,已被广泛用于痕量气体检测。在光声光谱系统中,光声池是最重要的组成部分,其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。近些年来,光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池,系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率,对光声池进行深入研究分析,提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。结合气体热动力学和声学理论,利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析,建立了其声学特征模型,并且对光声池的共振频率,光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系,从而优化了光声池的尺寸结构,选取了长度为100 mm,中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构,与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。结果表明,椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz,处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10~(-5) Pa,声压级为11 dB,品质因数为70;圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz,共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10~(-6)Pa,声压级为-13.9 dB,品质因数为66。对比可知,椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池,且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍,声压级提高了24.9 dB。由此可知,设计的椭球形共振光声池体积小,声压信号大,检测灵敏度高,光声池的性能有了明显提升,对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。     

基于可调谐光纤激光器的C_2H_2气体光声光谱检测

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.     

光学反馈腔增强吸收光谱技术中干涉抑制方法

提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法.使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声,研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射,并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证.提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号,与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号.该方法有效避免了OF-CEAS系统中,由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差.最后,基于该方法测量了1.53μm附近的乙炔气体吸收特性,评估系统的探测灵敏度为7.143×10^–8 (1σ),实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.     

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。     

基于光声光谱技术的NO,NO2气体分析仪研究

NO, NO₂是大气污染源中的常见气体, 对环境具有严重的危害性. 为检测污染源中这两种气体的浓度, 构建了成本较低的基于红外热辐射光源的光声光谱气体检测系统. 分析计算得到了NO, NO₂ 在2500–6667 nm波段吸收谱线. 通过建立光声传输线RLC振荡电路模型和仿真得到品质因数、声压大小与谐振腔长、内腔半径以及调制频率的关系, 据此设计了光声池几何结构. 实验表明该系统所测得的光声信号与气体浓度有很好的线性关系, 并且对NO, NO₂气体极限检测灵敏度分别达到4.01 和1.07 μL. 通过调节激光发射波长和选取滤波片, 该系统还可用于其他微量气体的浓度检测. 关键词： 大气污染 光声光谱 气体检测     

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.     

基于红外热辐射光源的光声气体分析仪

研制了一种基于红外热辐射光源的光声气体分析仪,给出了该光声气体分析仪的设计理论、硬件结构、软件系统和实验测试结果。根据红外热辐射光源的光谱特性,通过比较吸收气体在不同吸收带中多线的综合吸收系数,确定了光声池的最优设计参数、滤光片的中心波长和带宽。实验结果表明,该光声气体分析仪对CO,NO和H₂S的极限检测灵敏度分别达到1.6×10-6,4.5×10-6和4.0×10-4(被测气体与背景气体的分压比),并且对0～987×10-6 的CO测量显示了其良好的测量重复精度和线性度。此外,通过增加特定中心波长的滤光片还能够对其他多种小分子气体实现高灵敏度、实时、连续、自动地测量。     

强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。