量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压力和温度条件下的氦气折射率,给出腔内气体压力与折射率关系的表达式,并利用基于Fabry-Perot激光谐振腔的真空测量装置,通过双腔谐振激光拍频精确测量了充气前后谐振激光频率的变化,测出了氦气折射率,并分析了测量不确定度.将理论计算值与实验测量值进行了对比分析,得出了制约准确度提高的主要因素,并提出了修正方法.     

基于气体折射率方法的真空计量

为保证测量系统的长期稳定性和复现性,真空计量将使用气体密度来表征.利用法布里-珀罗腔可实现对气体折射率的精密测量、并反演得出气体密度.这种基于光学方法的真空计量方法是将气体宏观介电常数与原子微观极化参数联系在一起,由量子标准取代目前基于水银压力计的实物标准.本文讨论了气体折射率至气体压力的反演过程,并采用激光锁定法布里-珀罗腔的方法测定稀薄氩气的折射率,讨论了相关参数对所测得气体压力不确定度的贡献.在1个大气压范围内,对氩气压力测量的标准不确定度为u=■     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

压强是工业生产过程中的一个重要参数,其准确测量是过程控制的关键。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等因素,利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应,可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息,实现压力计校准。提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。采用5.2 μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。室温下,测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线,线宽为0.084 21 cm-1,重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1,对应的压强大小为98.12 kPa,检测灵敏度优于0.18 kPa,与高精度压力计读数98.14 kPa一致。利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1,与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。实验校准了一小量程压力计。结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响

利用气体折射率与压力之间的关系,可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量,研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开,建立气体压力与折射率的模型,基于Edlen经验公式进行最新修正,探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明,在低压范围内静态压力一定时,-20～80℃范围内温度变化与气体折射率成反比,折射率的改变量约为10~(-6)/℃,每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力,温度改变对气体低压测量影响较大,应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃,才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。     

真空腔测量空气折射率的方法及精度分析

空气折射率的测量及补偿效果在高精度激光干涉测量中起着“瓶颈”作用。分析了空气折射率的补偿原理 ,研究了用预抽气真空腔测量和补偿空气折射率的测量原理、方法及装置 ,分析了该方法对测量误差产生的原因。最后对测量精度作出了估计。     

流气式气体探测器气密性的测量

流气式气体探测器的气密性常用U形管压力计测量.本文给出了该方法测量探测器气体泄漏率的计算公式,讨论了气压、温度测量精度对泄漏率误差的影响.     

基于磁光阱中~6Li冷原子的真空度测量

2018年第26届国际计量大会召开后,伴随着国际单位制的重新定义,真空量值加速了其量子化进程.在超高/极高真空测量领域,可基于囚禁在磁光阱中的冷原子与背景气体碰撞的损失率以及损失率系数反演真空度.本文从磁光阱中冷原子真空测量的基本原理出发,基于量子散射理论小角近似和冲激近似计算了~6Li冷原子与背景气体碰撞的损失率系数,并利用光缔合法测定了在一定磁场和光场条件下的磁光阱阱深,基于两级磁光阱装置通过拟合冷原子数的衰减曲线精确提取出了碰撞损失率.最后在1×10^-8—5×10^-6 Pa压强范围内将真空反演量值与电离计示数对比,分析了制约测量精度提高的因素并提出了改进措施.     

基于环形反射面的全光纤法-珀干涉式折射率传感器

通过在单模光纤后依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段小芯径空芯光纤,制作了一种由小芯径空芯光纤形成环形反射面的全光纤法-珀腔。由于这种环形反射面结构的中间通孔适合气体或低粘度液体进出,因此可将其应用于气体或低粘度液体的折射率测量。分析了这种结构形成光纤法-珀腔的机理,并实验研究了这种基于环形反射面的干涉式折射率传感器,得到了这种传感器用于折射率测量时的分辨率约为1.652×10-6。可以预见这种具有环形反射面的法-珀干涉式折射率传感器在有毒、易燃、易爆的气体以及低粘度液体的折射率或含量检测中具有极大的潜在应用价值。     

用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室设计与研究

在采用光腔衰荡技术实现痕量气体浓度测量时,设计了用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室。通过对双探测器的比较及对数线性化,利用所设计的系统及其气室对气体浓度在线测量并进行了实验分析。得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律与特性,实现了测量分辨力为10^-9的测量结果。     

基于双暗环效应的折射率的测量装置

本实验装置利用全反射形成的双暗环效应, 分析得出两个圆形暗环直径之比与待测物体折射率的数 学解析关系. 以激光笔、 玻璃容器、 智能手机等为主要测量装置进行测量, 建立了测量液体折射率的新方法, 经实验 证明, 此方法操作简便可行、 精确度和稳定性高. 将此原理结合手机 A P P, 使折射率的测量更加简便快捷. 人们可用 此装置测量食用油的纯度或果汁等食品的可溶性固形体的含量, 由此为生产技术或社会生活带来便利     

在1341.4 nm激光波长对生物组织折射率的测量

根据全反射原理,设计一个由准直宽光束和双棱镜构成的测量装置用于测量生物组织的折射率.在波长632.8 nm通过对几个样品测量,证明该方法用于测量生物组织的折射率具有可靠、精确和简单易行的特点.第一次测得了某些生物组织在1341.4 nm 的折射率,也为在1341.4 nm激光波长测量人体组织的折射率提供了一种有效的方法.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

一种基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数,并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。     

基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术EI北大核心CSCD

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4气体的探测极限为8.7×10^(-7),相应的最小的可探测吸收为2.2×10^(-6) Hz^(-1/2)。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。     

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.     

超稳定TO-8型压力传感器在气体导热系数测定实验中的应用

介绍了TO-8型压力传感器的性能及电源电路.以气体导热系数测定实验为例,用TO-8型压力传感器制成的测压装置代替旋转式麦氏真空计,利用可调针孔式放气阀对真空气压进行连续调节,实现了对测试系统真空度的实时监测.     

基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm~(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4气体的探测极限为8.7×10~(-7),相应的最小的可探测吸收为2.2×10~(-6) Hz~(-1/2)。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。