结合小波分析法与导数光声光谱技术测量弱光谱信号的实验研究

结合导数光声光谱技术与小波分析方法,精确测量了光声光谱中的弱光谱信号.首先利用自己设计的仪器装置实现光声光谱的一阶导数,在此基础上,根据导数光声光谱的数据选择合理的分析小波,将光声光谱信号分解为不同频率信号的叠加,被分解的信号满足线性性质且原信号的峰值信息保持不变,由频率的差异可区分出光声信号和噪声信号,从而提取出光声光谱中的弱光谱信号.结合物理方法与软件方法的分析结果,准确地测量了氙灯的输出光声光谱中3个不明显的弱峰值,位置分别为699.7nm、753.4nm和776.5nm.该方法可以更准确地提取出光声光谱的峰值信息,有效地提高了光声光谱的测量精度,为光声光谱分析法在生物医学及化学分析中的应用提供了一种更精确的分析方法.     

一种实现光声光谱的导数光谱的新方法

提出了一种实现光声光谱的导数光谱的新方法,为了获得光声光谱的导数光谱,利用一台单色仪和一个分光棱镜研制成一个波长-光强分束器,并用这个波长-光强分束器同时获得两束光强相等而波长有微小差别的两束光,这两束光经过一个互补调制器调制后在光声探测器内叠加,可以实现光声信号的差分,扫描单色仪的波长,就可以获得光声吸收光谱的导数光谱。实验证明这种方法可以准确实现光声光谱的一阶导数光谱,而且导数光声光谱比光声吸收光谱具有更高的光谱分辨率。     

稀土氧化物粉末样品的光声光谱研究

利用光声光谱方法对几种常见的稀土氧化物粉末样品在紫外-可见、近红外, 以及中红外波段的光声光谱进行了测量与分析。根据光声光谱图和稀土离子的能级图, 对稀土离子的激发态电子的辐射和无辐射跃迁进行了探讨。与传统的透射谱和吸收谱相比较, 光声光谱具有分辨率高、快速、无损检测等优点, 特别适合于研究不透明、高反射和高散射粉末样品的光学性质。     

光谱学 光谱分析、光谱测量

O433.1 200604288扩频信号的声光谱相关检测=Acousto-optic spectral correlation detection for SS signals[刊,英]/王丹志(北京邮电大学电子工程学院.北京(100876)) ,宋俊德∥光电工程.—2006 ,33(3) .—62-66基于声光技术与循环谱相关技术,提出了扩频信号的声光谱相关检测方法。建立了基于声光时间积分的声光谱相关检测模型,分析了当干扰瞄准扩频接收机时,扩频信号在循环频率α=1/Tc的循环谱,给出了循环谱峰的检测公式R1s/Tc。仿真实验结果表明,与传统的声光技术检测扩频信号的功率相比,在光电检测阵列上检测的循环谱峰,谱峰旁瓣几乎…     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

基于正交试验的光声池气流性能模拟及参数优化

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参...     

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     

光声池几何形状对光声光谱检测性能的影响

随着现代化工业的高速发展,痕量气体检测技术的重要性不言而喻,目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、化学工业、生物生态以及医学检测等各个领域,光声光谱技术由于它具有零背景检测、探测器不受波长限制、光学元件简单,系统调节及维护方便等优点,现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段,近些年来,随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展,光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究,所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考,然而,当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作,尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池,它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所,其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况,以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性,因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。为此,基于传统圆柱形光声池的设计基础,探索研究了纵向截面为圆形、正三角形、椭圆等8种典型形状的光声池结构模型,并对其声场特性进行了仿真分析,借助3D打印技术制作了各类光声池实物,通过实验对比分析了8种光声池的性能指标,在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下,仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同,实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同,受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响,其品质因素从大到小依次为:圆形、短轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、正三角形、小圆轴线形、长轴椭圆,池常数从大到小依次为:圆形、长轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、小圆轴线形、正三角形、短轴椭圆,整体结果显示,对于光声光谱光声池的设计,在没有特殊要求的情况下,光声池应优先为圆形形状,研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。     

基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO_2的研究

CO_2是大气的重要组成成分,也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气的产物。一方面大量的人源排放CO_2进入大气是引发温室效应最主要因素,另一方面, CO_2是窒息性气体,在封闭环境积累过高的CO_2会导致窒息等安全问题。因此发展小型化、高灵敏度的CO_2检测技术在大气环境探测、封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术,采用相对简单的离轴结构方案,开展了探测CO_2的研究。离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、灵敏度高、抗干扰、成本低、功耗低,对激光器要求低等优点,在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。近年来,尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟,为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、能量更高的激励光源,使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度,实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线,选择2.004μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源,通过波长调制方式来激发CO_2光声信号,并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。实验中通过对进样CO_2气体加湿、优化调制振幅等方式提高检测性能,实现了空气CO_2的探测。在常压下,通过配气仪配置不同浓度的CO_2样品,开展了浓度与信号的响应特性研究,获得了良好的线性响应结果。同时也开展了相同浓度CO_2样品在不同压力下的信号测量研究,并用Allan方差对系统性能进行评估。结果表明,当平均时间为1 000 s时,系统的探测极限为4×10~(-3)μL·L~(-1),在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号,常压下系统对CO_2的最小探测灵敏度为15μL·L~(-1),相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10~(-9),在150 Torr下最小探测灵敏度为6μL·L~(-1)。     

Observation of photoacoustic/photothermal effect with a liquid-core optical ring resonator

Photothermal/photoacoustic(PT/PA) spectroscopy provides useful knowledge about optical absorption, as well as the thermal and acoustical properties of a liquid sample. For microfluidic biosensing and bioanalysis where an extremely small volume of liquid sample is encapsulated, simultaneous PT/PA detection remains a challenge. In this work, we present a new optofluidic device based on a liquid-core optical ring resonator(LCORR) for the investigation of PT and PA effects in fluid samples. A focused 532 nm pulsed light optically heats the absorptive fluid in a capillary to locally create a transient temperature rise, as well as acoustic waves. A1550 nm CW laser light is quadrature-locked to detect the resonance spectrum shift of the LCORR and study thermal diffusion and acoustic wave propagation in the capillary. This modality provides an optofluidic investigative platform for biological/biochemical sensing and spectroscopy.     

长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO₂)是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO₂检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO₂含量的变化,设计了一种长光程共振式CO₂气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO₂气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO₂样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性...     

光声光谱多组分气体检测技术研究进展

光声光谱气体检测技术是利用光声效应实现痕量气体检测的一项重要技术,具有高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点,在环境监测、采矿冶金、能源电力、医疗卫生等领域发挥着至关重要的作用。考虑到气体检测应用环境的复杂性,实际的检测环境往往是多种组分气体同时存在且需要监测每种组分气体的含量,此时对多组分气体进行同时检测的技术就显得尤为重要。首先介绍了光声光谱气体检测技术的基本原理和特点,主要从光源和光声池的角度阐述了以光学复用方法为核心的光声光谱技术在多组分气体检测中的应用,并分析了石英增强光声光谱技术的特点及其在多组分气体检测中的应用,最后对光声光谱多组分气体检测技术的发展趋势进行了总结与展望。     

微纳结构光纤光谱学

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。     

Continuous‐wave optical parametric oscillator based infrared spectroscopy for sensitive molecular gas sensing

Over the past 10 years, with the advent of new crystals designs and a new generation of pump lasers, continuous‐wave (cw) optical parametric oscillators (OPOs) have developed into mature monochromatic light sources. Nowadays, cw OPOs can fulfill a wide variety of criteria for sensitive molecular gas sensing. It can access the mid‐infrared wavelength region, where many molecules have their fundamental rotational‐vibrational transitions, with high power. This high power combined with wide wavelength tuning and narrow linewidth creates excellent conditions for sensitive, high‐resolution spectroscopy. OPOs combined with robust methods, such as photoacoustic spectroscopy and cavity‐enhanced spectroscopy, are well suited for field measurements and remote‐sensing applications. The wide tunability of cw OPOs allows detection of larger molecules with broad absorption band structures, and its fast scanning capabilities allow rapid detection of trace gases, the latter is a demand for life‐science applications. After a short introduction about the physical principle of cw OPOs, with its most recent physical developments, this review focuses on sensitive molecular gas sensing with a variety of spectroscopic applications in atmospheric and life sciences.     

气体拉曼传感增强技术研究进展与趋势

不论是在科学研究,食品安全,医学检测,还是在安全事故预防等领域,对多组分混合气体进行快速、准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求 。拉曼光谱法是一种强大的气体传感方法,既能克服传统的非光谱法检测时间长、重复性差等弱点,又能弥补吸收光谱法无法直接测量同核双原子分子的缺点,同时还能使用单一频率的激光器对多组分混合气体进行定性和定量分析。但由于物质固有的弱拉曼效应,加之气体的拉曼效应一般远低于固体和液体,这极大地限制了拉曼光谱法在气体传感领域的应用。如何提高气体的散射强度是使气体拉曼传感技术得到更广泛应用的关键。目前最主要的气体拉曼传感增强技术包括腔增强技术和光纤增强技术。腔增强技术从提高与待测气体作用的激发光强度和作用路径来从源头上增强拉曼散射信号,包括多次反射腔增强、F-P腔增强、激光内腔增强。光纤增强则从提高球面散射光的收集效率来增强拉曼散射信号,使绝大部分拉曼散射光都能进入光谱探测器,包括镀银毛细管增强和空芯光纤增强。简要介绍了上述两种技术的的增强原理,汇总了研究进展以及应用现状,并讨论了它们各自的优势以及局限性,最后着眼于多组分痕量气体的检测,展望了气体拉曼传感技术未来的发展趋势。尽管目前基于吸收效应的光谱分析方法在气体检测领域占据主导地位,尤其是光声光谱法,但在不久的将来,气体拉曼传感技术有望在气体检测领域得到越来越广泛、越深入的应用。     

高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究

采用恒流驱动耦合机械斩波技术在激光光声光谱装置上系统测量了5%—100%宽浓度范围甲烷气体的共振光声信号,发现在高浓度区共振光声信号呈现异常的饱和特征.基于气体吸收和光声光谱原理定量分析了光声信号饱和的主要原因及影响因素,研究表明,气体样本对入射光强吸收而导致的声源与本征共振模式的耦合系数改变是异常饱和的主要原因,并导出判定光声信号饱和深度的准则以用于判定高浓度气体饱和深度。     

利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征

在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域. 关键词： 光声光谱 散射光 弱吸收固体混合物 奥氮平     

Determination of the low absorption coefficients of thick semi-conductor samples using rear side photoacoustic spectroscopy detection

Based on the Rosencwaig and Gersho theory, we have theoretically derived the photoacoustic signal in the gaz behind the unilluminated surface of thick samples and presented a simple analytical procedure for determining the low optical absorption spectra of these samples.The rear side photoacoustic spectroscopy (PAS) detection has been employed on thick samples of GaP (0,2-1mm) and optical absorption coefficients in the region between 15 to 200 cm^?1 were measured.Our results are discussed in comparison with those obtained by usual front side PAS detection and spectroscopic ellipsometry.     

光纤传感技术结合紫外光谱快速检验马来酸氯苯那敏片

建立一种光纤传感技术结合紫外-可见吸收光谱快速定性、定量分析药物的方法.将光纤探头浸入待测药物溶液中,氘灯光源发出的光通过光纤传输到探头,由探头感受经溶液吸收的光信号,并再次通过光纤反馈到检测器,最终通过计算机即时显示待测药物的光纤紫外-可见吸收光谱,并利用光谱中最大、最小吸收波长及吸光度与对比图谱比较获得定性、定量信...