电调制非分光红外瓦斯传感系统设计

基于气体红外光谱吸收原理,设计了一款电调制非分光技术的红外瓦斯传感器系统.该系统采用单光路双波长技术,以红外LED光源IRL715、防尘防水的吸收气室和热释电探测器件LIM-262组成光学探头,利用有源滤波和差分放大电路实现信号调理,采用二项式拟合瓦斯浓度-电压关系曲线,实现了对瓦斯浓度的精确探测.实验表明,该传感器能...     

红外波段光子晶体线性折射率传感器设计

基于传输矩阵理论和光学谐振原理,研究了含敏感空气缺陷层的一维光子晶体谐振腔的谐振特性,建立起敏感气体折射率变与红外波段谐振峰波长之间的线性变化关系。设计了基于红外波段光子晶体谐振腔的线性折射率传感器,利用MATLAB软件数值模拟,得到线性传感器的半峰带宽小到3nm左右、Q值可达到1400、敏感度可达1070nm/RIU。在光谱仪的分辨率为0.01nm时,传感器的分辨率可达9.35×10-6 RIU。结果表明,基于光子晶体结构的折射率传感器,具有良好的线性特性、高的灵敏度以及高Q值等特点,可为气体折射率检测提供一定的理论参考。     

基于光谱吸收型光纤传感器的煤矿瓦斯测量技术

甲烷是瓦斯的主要成分,是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理,给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径,包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出,光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注,其中差分吸收法的抗干扰能力强,系统可靠性高,具有较强的工程应用价值。     

光纤瓦斯传感系统的研制

利用光电检测理论和波分复用技术，研制出安全型光纤瓦斯传感器。系统传感头利用CH4气体在1.331μm处的谐波吸收谱工作。系统采用双波长差分吸收的工作方式，其参考波长为1.27μm，消除了非光吸收的其他散射和微扰等影响。由微机用软件控制12位A／D／A转换卡进行数据采集与处理，系统分辨率达0.001％，实现了实时显示。该系统不仅能对瓦斯气体进行准确检测，而且由于采用了光学测量的方式，所以既安全又可靠，不仅可以应用于煤矿矿井内的瓦斯气体含量的实时测量，还可以实现远程监控。     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统.该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测.实验表明,该系统的测...     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

基于LabVIEW的瓦斯气体浓度监测系统的设计

针对瓦斯气体浓度监测问题,本文利用LabVIEW图形化软件和瓦斯传感器相结合设计了瓦斯气体浓度监测系统。该系统主要以瓦斯气体传感器、电压放大器、数据采集卡、计算机为硬件基础,登陆交互、数据采集与显示、报警记录、数据存储、数据回放等软件模块为核心。该系统具有瓦斯气体浓度的实时显示、存储、回放与超限报警等功能。通过多次调试结果表明:该系统运行稳定、可靠,响应速度快,检测精度高。     

基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型气体浓度传感器.用光纤环全反镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成F-P线形腔，通过调节光栅的反射波长，使激光激射波长落在C₂H₂的一个较强的吸收峰1531.56 nm.激光激射延迟时间与激光器谐振腔损耗密切相关，气体浓度的改变将引起谐振腔损耗的改变，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度.该装置分辨率及灵敏度由抽运光脉冲的高功率电平和低功率电平决定，传感器的动态测量范围由抽运光高功率电平决定.当高功率和低功率电平分别为25 mW和5.9 mW时,该传感器的灵敏度和分辨率分别为100 ppm/μs和20 ppm.     

基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究

瓦斯爆炸事故频繁发生,对瓦斯浓度进行准确、实时检测和预警是治理瓦斯危害的有效手段。实验研究了基于气体光谱吸收原理,采用1.65 μm波长的近红外可调谐DFB激光器,利用激光器的模式跃变特性设计了差分吸收式的双波长单光路光纤传感网络。使用光开关并结合空分复用技术复用了16个瓦斯传感器,传感气室部分研究了防煤尘等关键技术。经PCI数据采集卡采集各路信号后,利用虚拟仪器对各路信息进行分析并显示。研究表明,在不采用数字锁相放大器,且气体吸收光程只有10 cm的条件下,探测灵敏度达到了0.05%,长时间的精确度和稳定性均可满足实际要求,各传感器切换响应时间小于1 s。该网络只要更换激光器就可对其他气体进行实时检测。     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究

实验中设计了一种基于微型非共振腔的石英增强光声光谱痕量气体传感器, 用来检测非纯氦气中的痕量氨气浓度. 该传感器采用的微型非共振腔只在空间上限制声波扩散以达到增强信号目的, 而不是像传统微型共振腔一样依靠共振效应. 如此的设计使探测小分子无机气体的光谱测声器尺寸远远小于共振腔的配置而有利于准直. 不同气压下的信号和噪声也被研究, 用来优化传感器性能. 在这种配置下和27.7 kPa的最优气压下, 获得的最佳氨气探测灵敏度为463 ppb (1σ , 1 s积分时间), 相应的归一化噪声等效吸收系数为4.3×10^-9cm^-1W/√Hz. 关键词： 气体传感器 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 类氢气体纯度分析     

NO trace gas sensor based on quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy and external cavity quantum cascade laser

A gas sensor based on quartz-enhanced photoacoustic detection and an external cavity quantum cascade laser was realized and characterized for trace nitric oxide monitoring using the NO R(6.5) absorption doublet at 1900.075 cm⁻¹. Signal and noise dependence on gas pressure were studied to optimize sensor performance. The NO concentration resulting in a noise-equivalent signal was found to be 15 parts per billion by volume, with 100 mW optical excitation power and a data acquisition time of 5 s.     

新型量子点场效应增强型单光子探测器

针对量子点场效应单光子探测器(QDFET)光吸收效率低下的问题, 提出了一种新型量子点场效应增强型单光子探测器(QDFEE-SPD). QDFEE-SPD增加了共振腔的设计, 并采用了GaAs/AlAs多层膜作为下反射镜; 对QDFEE-SPD的光吸收增强效应和光响应度进行了理论分析和模拟, 结果表明, 与没有共振腔时相比, QDFEE-SPD的吸收效率和光相应度都有了大幅度的提升, 同时为了光吸收的最优化, 吸收层厚度一般应在0.1–0.5 μm; 对QDFEE-SPD的材料样品进行了生长和测试实验, 反射谱测试和PL谱测试结果表明, QDFEE-SPD对入射光的吸收具有了明显的增强效应. 文章成果为高效率量子点场效应单光子探测技术的研究提供了新的思路. 关键词： QDFEE-SPD 共振腔 吸收效率 光吸收增强效应     

微槽式光学谐振腔超声传感效应验证*

摘 要：光学微腔的高灵敏度主要源于其结构在时间和空间上对光场的局域增强作用和频率选择作用。其结构在垂直于波导方向上形成了高反射的边界,形成了一种回声腔,使得光在波导内来回反射,从而增强了波导内部的光场强度。当外界存在微小的压力波动时,它将引起波导内部的介电常数和压力场的变化,从而改变了谐振腔内的模式场分布和传输特性,据此可以实现对微小的压力波动进行高灵敏度检测。本文设计了一种高品质因子（Q）的光波导微槽式环形谐振腔超声传感器,完成器件制备并搭建了测试系统,依据倏逝波效应实现了超声探测。测试结果表明,该传感器的品质因子为1.38×107,在800 kHz ~1 MHz范围内响应平坦,在900 kHz的信噪比可以达到27 dB,灵敏度达到 -168 dB。本文设计的传感器可以为水声探测等领域的研究提供关键技术支持。     

Flexible laser diode trace gas sensor based on cavity ringdown spectroscopy with an optical fiber-coupled high-finesse external-cavity diode laser

A flexible and portable trace nitrogen dioxide sensor based on cavity ringdown spectroscopy using an optical fiber-coupled high-finesse cavity was successfully demonstrated. Tailoring the spatial mode matching condition of the core of an optical fiber and high-finesse external cavity allows for effective optical feedback into an antireflection-coated laser diode for stable resonant enhancement of the external cavity. The external cavity, which works as a ringdown cavity, could be remotely located from the light source and receiver section by only a single mode optical fiber. The sensitivity was found to be 1.0×10⁻⁷ cm⁻¹ in a compact 1-cm³ ringdown cavity volume.     

New resonant cavity-enhanced absorber structures for mid-infrared detector applications

A new dielectric Fabry–Perot cavity was designed for a resonant enhancing optical absorption by a thin absorber layer embedded into the cavity. In this cavity, the front mirror is a subwavelength grating with ~ 100% retroreflection. For a HgCdTe absorber in a matching cavity of the new type, the design is shown to meet the combined challenges of increasing the absorbing efficiency of the entire device up to ~ 100?% and reducing its size and overall complexity, compared to a conventional resonant cavity enhanced HgCdTe absorber, while maintaining a fairly good tolerance against the grating’s fabrication errors.     

采用离轴入射的腔增强吸收光谱研究

为了改善腔增强吸收光谱的探测灵敏度和光谱分辨率,通过将激光光束离轴注入光学谐振腔中,减小了谐振腔内振荡,提高了模式密度,使得谐振腔被近似看作为“怀特池”。采用记录波长在扫描过程中实际变化的方法,对光谱数据进行了非线性校正,省去了参考光路的布置,简化了实验光路。对二氧化碳在1．572μm处的一条弱吸收谱线进行了测量,得到了大小为1．98×10^-7cm^-1的最小探测灵敏度。实验结果表明同等实验条件下,光束离轴入射时比正轴入射时的腔增强吸收光谱具有更高的信噪比和光谱分辨率。     

面向谐振式微光学陀螺应用的球形谐振腔DQ乘积优化

基于谐振式光学陀螺高灵敏度、低成本与微型化的发展需求, 为了实现高灵敏度的谐振式微光机电陀螺, 提出了以集成光学微谐振腔领域里高Q值、大直径谐振腔的制作为目标, 应用方向为谐振式光学陀螺的球形光学微谐振腔核心敏感单元. 在实验中以氢火焰作为热源采用熔融法制备球形光学微谐振腔. 通过调节氢气的流量控制氢火焰热源面积, 制备了不同直径(300-2200 μm)的球形谐振腔, 分析了球形谐振腔Q 值、DQ乘积、陀螺灵敏度与谐振腔直径D的对应关系及其原因, 获得了最优参数的面向谐振式光学陀螺的球形谐振腔敏感单元. D=1260 μm时, 球腔品质因数 Q=7.18×10⁷, 得到的最优陀螺灵敏度约为10°/h, 满足商业级应用的需求, 为芯片级、高精度、低成本的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础.     

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall（PDH）技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。实验发现,谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化,导致系统失去锁定,产生测量误差;为了抑制这一现象,提高系统的准确性和抗干扰性,采用了动态PDH锁定技术,通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制,使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化;通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号,通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。为了验证检测系统的有效性、评估系统的性能,采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、系统标定实验和稳定性实验。实验结果显示,在0～10 mL·L-1范围内,腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系;通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1,积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。此外,通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径,进一步降低检测下限。该系统灵敏度高、响应速度快,具有较好的抗干扰性和长期稳定性,在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。     

谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响

研究了谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响。构建无液膜负载和有液膜负载下压电基片和金属指条结构的三维有限元模型,利用有限元方法提取不同周期结构的耦合模参量,结合P矩阵级联技术,推导出传感器灵敏度随检测器腔体结构改变的变化关系。实验制备了两种三换能器结构的声表面波谐振器,其输入换能器与输出换能器间距离分别为22.25倍波长和1.25倍波长,通过测试甲基膦酸二甲酯气体,验证理论计算结果。结果表明:缩短谐振器的谐振腔长度使器件中心处能量更为集中,有效地提高了声表面波气相色谱仪灵敏度。