基于1 654 nm分布反馈激光器的甲烷检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术及波长调制技术,采用波长为1 654 nm的分布反馈激光器,结合开放式光学探头以及高灵敏度的铟镓砷光电探测器,研制了近红外甲烷气体检测系统。自主设计研发了分布反馈激光器驱动电路,主要包括模拟PID温度控制电路与电流驱动电路。其中,温度控制电路具有较高的控制精度及稳定性,长时间工作时激光器温度波动小于±0.02 ℃,温度与激光器波长呈线性变化。温度不变时,改变驱动电流可以使激光器中心波长线性变化,同时还提供了5 kHz正弦波和10 Hz锯齿波的调制信号,用于谐波检测。为了提取差分信号的一次谐波及二次谐波,研制了正交锁相放大器,一次谐波和二次谐波的提取误差分别为3.5%和5%。系统中采用的开放式光电探头通过一次反射,使有效吸收光程增加了一倍,达到了40 cm。通过对1%～5%的甲烷气体进行检测,成功提取了一次及二次谐波,得到了气体浓度与谐波信号幅值的拟合关系曲线。在更换不同输出波长的激光器后,该系统还具有检测其他气体的能力。     

基于频分复用波长调制光谱的NO_2及NH_3浓度测量

基于中红外量子级联激光器(QCL)以及频分复用波长调制光谱技术,实现了NO_2及NH_3的高精度同时测量。对中心频率在1600.0cm~(-1)及1103.4cm~(-1)附近的两支QCL施加不同频率的正弦调制,利用数字锁相技术得到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号。搭建了一套基于该技术的开放式空气中NO_2及NH_3的测量系统,多次反射池的光程为60m。利用25cm长的参考池进行浓度标定,发现系统在较大的浓度范围内具有优良的线性响应。两种气体的检测限均小于10~(-9)量级。使用系统进行了24h的气体监测,测量结果与参考仪器的结果吻合较好。     

面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.     

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%～1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。     

室温连续中红外量子级联激光器驱动电源的研制

为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求,设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先,设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流,进而调制其输出波长;其次,设计了高速(约40ns)过流保护电路,配合电压深度负反馈原理,保证激光器工作的可靠性,提高激光器电流的稳定度;再次,将比例-积分-微分软件算法与温度模拟控制电路相结合,在简化电路结构的同时,有效地控制和稳定激光器的温度,防止因温度变化造成激光器输出波长的漂移和发光功率的波动.利用该驱动电源系统对中科院半导体所研制的中心波长为4.76μm的量子级联激光器做驱动测试,结果表明:驱动电源系统电流调节的线性度为0.0068%,驱动电源的长期(240h)电流稳定度为4.99×10-5,量子级联激光器的光强稳定度为5.07×10-4,控温稳定性为0.01℃,温度稳定时间为17s;当量子级联激光器的驱动电流为330mA,温度为21℃时,在240h内峰值波长的漂移为±0.02nm.     

高精度中红外大气C_2H_6传感系统的研制

C_2H_6作为温室气体之一,对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C_2H_6在大气中的含量极低,对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C_2H_6浓度的传感器,其测量精度可达到10~(-9)量级。采用容积为220mL、光程为54.6m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限,提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加,通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号,由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明:当系统采样时间为1.67s时,阿伦标准差为1.86×10~(-9),且阿伦标准差在平均时间为775s时达到最小值,即系统达到最佳稳定度,为0.026×10~(-9)。将该系统放置于燃气站进行检测实验,证明所研制的C_2H_6传感器具有实用价值。     

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)。     

分布反馈量子级联激光器脉冲驱动电源的研制

为了满足中红外一氧化碳检测中分布反馈量子级联激光器的驱动要求,设计并实现了一种专用型脉冲驱动电源.首先,研制了高稳定的供电系统和完善的保护系统,显著提高了驱动脉冲的质量并保证了电源工作的可靠性;其次,依据"多级隔离"的思想设计了电源各功能电路,很大程度上提高了驱动电源的抗干扰能力;同时,将深度电压负反馈与比例-积分-微分控制算法相结合,有效提高了输出电流的稳定度.利用该驱动电源对中科院半导体所研制的波长为4.76μm的分布反馈量子级联激光器做了驱动测试.实验结果表明,在长时间(200h)运行中,系统驱动电流的稳定度为2.5×10-5,线性度为0.004%,满足分布反馈量子级联激光器的驱动要求,为中红外一氧化碳的可靠检测提供了保障.     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

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.     

基于近红外光谱技术的多组分毒性气体检测研究

基于近红外波长调制光谱和谐波探测方法,并采用时分复用方案,建立了多组分毒性气体同时检测的实验系统。成功实现了对火灾产物中多组分毒性气体(包括CO,CO2,HCN)浓度的同时检测,并通过对三个通道的基频分量和二次谐波分量进行实时数据处理,计算得到浓度结果。三种毒性气体各组分的满量程体积分数分别为4×10-4,4×10-4,3×10-4,测量结果误差的最大值不超过满量程的0.73%。实验结果表明,该系统进行气体浓度检测具有较好的线性度,并满足检测精度要求。     

开放型TDLAS-WMS技术CO2痕量气体检测

采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置.选取2004 nm处CO2分子吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小.设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池,使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真,光线追迹后理论光程可达到13...     

基于TDLAS的痕量CO浓度检测系统及温压补偿

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)实现气体高灵敏度,高精度的非接触式检测。为避免二次谐波信号随环境中温度和压强的改变导致实测出现较大误差,需对测得的气体浓度进行温压补偿。实验以2332nm波长作为CO的中心吸收波长,以质量分数125×10~(-6),1001×10~(-6),1701×10~(-6)的CO作为实验气体。提出了利用BP神经网络补偿模型,并采用遗传算法(GA)与粒子群算法(PSO)优化BP,修正受温压影响的标气浓度,并进行了仿真测试对比。实验结果表明,采用PSO优化BP补偿效果最好,修正后的CO浓度平均相对误差约为1.55%,有效提高了CO气体检测系统的精度。     

基于量子级联激光的大区域SF6泄露实时检测

采用量子级联激光器的可调谐半导体激光吸收光谱技术及可移动开放式光路系统在线检测泄露区域的SF_6气体.光路系统位于高压组合电器间隔周围,与传感系统通过非接触组合.中红外激光器的工作温度在10℃且注入电流为680 mA时发射频率范围可覆盖SF_6气体的选择波长.通过对大区域实验舱的内环境进行多次抽取分离,得到二次谐波吸收的精确背景吸收,利用10.55μm的可调谐激光传感系统对泄露扩散平衡后的SF_6气体进行测量,扣减背景吸收后得到泄露SF_6气体的二次谐波吸收光谱.研究结果表明:14.3 m的开放式光路下,气相色谱-热导率检测器溯源校准数据与可调谐半导体激光吸收光谱技术检测一致性良好,最大偏差为2.26%,二次谐波最大信号幅值与测量浓度具有较高拟合度,拟合系数为0.998,SF_6体积浓度的检测下限为1.8×10~(-6).该研究可为SF_6气体泄露提供一种全新的检测方法,从而实现高压组合电器大区域环境下SF_6气体实时在线监测.     

近红外激光二氧化碳传感系统的研制及应用

采用可调谐激光二极管吸收光谱技术,研制了一种近红外激光二氧化碳(CO_2)传感系统。该系统包含中心波长为1572 nm的分布反馈激光器、密集光斑型气室和铟镓砷探测器,利用LabVIEW程序提取二次谐波信号幅值并反演了CO_2浓度。为了表征传感器性能,利用该系统开展了气体检测实验。结果显示,当调制深度为0.32 cm~(-1)时,二次谐波信号的幅值最大;在体积分数为0～3%范围内,二次谐波信号的幅值与CO_2浓度具有较高的线性度(拟合优度为0.999);当CO_2体积分数为0时,连续测试1 h,反演得到的浓度波动范围为-2×10~(-4)～1.17×10~(-4);当积分时间为297 s时,系统的灵敏度检测下限为2.7×10~(-6);考虑动态配气时气体的扩散时间,系统的响应时间为40～42 s;连续15 h测量室内大气中CO_2浓度,测得的CO_2平均体积分数约为(560±46)×10~(-6)。与已经报道的传感器相比,该气体传感系统呈现出类似的品质因数,可在工农业生产、环境保护等领域得到一定的推广和应用。     

基于脉冲石英增强光声光谱的中红外超高灵敏CO探测

发展了一种超高灵敏的CO痕量气体测量装置,该装置采用4.65μm脉冲式中红外外腔量子级联激光器作为激发光源,结合石英增强光声光谱技术,对2135~2225cm-1之间的CO基频振动光谱带R支进行连续光谱扫描。水被加入到被测气体中,以加快较慢的CO分子振动-平动弛豫率。在锁相放大器时间常数为3ms,激光器占空比和扫描速率为50%和18cm-1/s时,获得的最小探测极限为4.6×10-8(体积分数),与之对应的归一化噪声等效吸收系数为1.07×10-8 cm-1 W/Hz。     

基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究

中红外为分子的基频吸收波段,可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制技术(WMS)的光谱检测方法,研究了消除气体间交叉干扰的方法,并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统,进行101m开放式测量实验,实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量,检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9,验证了实验系统和实验方法的可行性,为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。     

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱