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.     

碘激光的大气衰减特性

碘激光波长处在大气微窗口，水汽分子的吸收是碘激光在大气中传输时衰减的主要原因。利用HITRAN数据库，计算了碘激光波长模式的大气衰减情况。利用高分辨串光谱实验系统，获得了1．315μm附近的谱线参量。在我国，由南向北，由夏到冬，水汽浓度逐渐减少，水汽分子的吸收率递减。碘激光有6条超精细谱线，单一最强线频率的碘激光的大气分子吸收比多谱线的碘激光小，更有利于大气传输。在中纬度夏季，单一最强线垂直向上全程的大气分子吸收率与多谱线碘激光水平传输1km相当，为9．0％。碘激光垂直向上传输比海平面水平传输受大气影响小。     

大尺度区域水汽浓度激光检测方法的研究

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、高精确性、快速响应检测,与遥感反演的数据进行校正,采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。选择水汽分子在1.27μm附近的单根吸收谱线为目标谱线,设计了大尺度区域水汽激光检测系统。结合多次反射池验证了系统性能,40m光程下极限灵敏度为14.803mmol.mol-1。利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420m光程下的连续外场实验,系统工作稳定,并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比,数据一致性较好。为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。     

中红外差频光源应用于实际大气水汽浓度测量

基于非线性光学效应,采用差频发生技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),在周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)中产生了中红外的可调谐激光源.泵浦光是一个功率为1 W、调谐范围在770到870 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器.信号光是一个功率为1 W、单频连续的Nd:YAG激光器.当晶体的光栅周期为20 μm、温度调谐范围内在室温到200℃之间时,能够产生2.8 μm附近的、功率约为1～2 μW的差频光源.基于这个光源,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽(001←000)吸收带的吸收光谱.依据大气中水汽分子在8.5 cm的吸收光程条件下的吸收光谱,成功地测量得到了大气中的水汽浓度.     

基于中红外差频激光测量水汽分子同位素丰度

稳定同位素比值的测量在地质学、气象学和地球科学的研究中具有蕈要的应用价值.水汽同位素丰度的测量对理解与干旱相关的同温层大气科学具有重要的意义.水汽分子在2.7 μm附近具有较强的吸收,适宜于高灵敏度光谱的测量.文章报道了利用差频技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),将调}皆范围在750～840 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器和单频连续的Nd:YAG敫光器,耦合到周期性极化铌酸锂非线性光学晶体中,产生2.5～4 μn波段的中红外可调谐激光.选择周期为20μm的PPLN品体,产生2.7 μm附近的中红外差频激光,利用差频产生的中红外激光光源,具有窄线宽、宽调谐等优点.结合光程为100 m的Herriott型多通吸收池,采用直接吸收光谱方法测量了实验窒大气中的水汽分子同位素,得到了同位素比值R及~(17)O,~(18)O,D的丰度值δ,实验所测R值与国际标准具有很好的一致性.     

基于吸收光谱原理的高温水汽浓度测量方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、快速响应、非接触式、环境适应性强等优点,能够实现燃烧温度、组分浓度、速度等参量的实时动态在线测量。为准确测量高温下的水汽浓度,采用窄带半导体激光器作为光源,结合实验室的高温测量系统,记录了常压下1.39μm附近水汽在773~1 273K温度范围内的吸收光谱,利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度,找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73cm-1,首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法,该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理,浓度测量的标准误差低于0.2%,相对误差低于6%。通过实验验证了该测量方法的可行性。     

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。     

1.315 μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

 用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器（OPO）作光源，使用光程长达1 097m的怀特池，采用单探测器分时复用的探测方法，首次在吸收池中精确测量了实际大气中1.315 μm波长附近高分辨率吸收光谱，实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体；得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长（7 603.14cm^-11）处的吸收截面为 (1.05±0.09)×10^-24 cm²(标准大气条件下）以及在该波段主要吸收谱线的参数，包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面，发现吸收最小的波长分别位于7 603.31和7 603.93cm^-1，其值约为(8.9±0.8)×10^-25 cm²，比氧碘激光波长处的吸收截面约小15%。     

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。     

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。     

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一，大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线，是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达，对它们的发展路径做一梳理，理清发展脉络，具有有益的参考价值。其中，稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域，以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源，光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器，代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达，以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机，以硅的雪崩二极管作为探测器，紧跟前置放大和数据的AD采集器，如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达，可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构；德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小，更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大，是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的，且可以安排多个探测波长，和一个参考波长，它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布，以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达，以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功，推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space），测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来，担当空间WALES任务的模拟器，2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达，是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步，目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手，以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长，种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准，或以高精度波长计为误差获取手段，通过负反馈进行主动稳频；其次，需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型，显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟，所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正；水汽的空间垂直分布梯度大，因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

The absorption line profiles of H2O near 1.39 μm in binary mixtures with N2, O2, and H2 at low pressures

The absorption line profiles of water vapor in binary mixtures with diatomic molecules H₂, N₂, and O₂ have been recorded on a diode laser spectrometer. The profiles of several lines of the 101 band have been studied near 1.39 μm with a spectral resolution of 3 × 10^?4 cm^?1. The pressure of the binary mixtures was varied from 0 to 200 Torr. The experimental data obtained have been used to test the Voigt, Rautian-Sobel’man, and Galatry theoretical models of a spectral line profile. The coefficients of collisional narrowing have been determined from the results of the fitting.     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

基于二次谐波特性的DFB激光器稳频新方法研究

窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用，但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。为稳定半导体激光器的频率，提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法，利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频，实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内，激光稳频后，其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。该方法具有简单、可靠等优点，对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。