基于差分光谱吸收技术的双光纤光栅乙炔测量系统

提出一种基于双光纤光栅(FBG)差分光谱吸收技术的乙炔测量系统.以光纤光栅反射出的窄带光作为探测光, 基于红外吸收理论实现乙炔浓度的检测.通过引入参考光栅, 有效抑制了光路噪声、暗电流等干扰因素, 实现了大背景信号下微弱信号的测量;利用数字滤波技术, 消除了系统响应信号中的低频干扰, 提高了系统的稳定性和可靠性.实验结果证明系统具有良好的测试重复性和较高的测试灵敏度, 最低检测限约为25×10-6.本文的研究成果对进一步研究实现多组分混合气体的测试具有重要的意义.     

基于空芯光子晶体光纤气体吸收腔的乙炔检测系统

介绍了一种基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)气体吸收腔的气体检测系统。采用20μm芯径、40cm长的HC-PCF作为气体吸收腔,利用连接套管实现HC-PCF和单模光纤(SMF)的对接。连接套管上留有50μm的缝隙,使环境气体可通过缝隙扩散进入HC-PCF吸收腔。结合可调谐光纤环形激光器构建了全光纤气体检测系统。光纤激光器输出的高功率、窄带宽探测光对待测气体具有很好的选择性,克服了传统检测方法中常见的交叉敏感现象。以乙炔气体为测量对象,对该系统测量性能进行实验验证。实验结果表明,在自然扩散条件下,乙炔气体在HC-PCF气体腔内的扩散时间约为6min,系统响应与乙炔气体体积分数近似呈线性关系,最低检测限为0.1%。     

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)。     

可调谐法布里-珀罗滤波器的高精度大范围实时定标

将乙炔(C2H2)气体的吸收光谱作为标准波长参考,对可调谐光纤法布里-珀罗滤波器进行波长实时定标,使解调系统的测量精度提高到1 pm.根据可调谐光纤法布里-珀罗滤波器谐振波长的周期性,提出了大波长范围的波长定标方法,从而可以在1525～1615 nm的范围内对可调谐光纤法布里-珀罗进行精确定标,实现了高精度大波长范围的信号探测.相比于传统的以光纤光栅作为波长参考的定标方法,该方法的测量精度、测量范围、系统运行可靠性都大为改善.     

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.     

基于可调谐滤波器的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术的研究

研究了基于可调谐滤波器(TOF)的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术。实验表明,解调仪特别适合在传感FBG(fiber Bragg grating)存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长变化进行检测,动态波长检测分辨率为0.007pm/Hz。上电时,TOF对中心波长为1292.50~1308.50nm范围内的光纤光栅具有自动跟踪的能力,克服了TOF不稳定对系统的影响。     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究，实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量,实现了多传感器多通道的分布式测量,实验结果表明:解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm～1 560.50 nm,对35 ℃～42 ℃的温度范围进行检测,波长解调精度为±5.34 pm,温度测量误差可达±0.1 ℃。     

基于调制相移法的高准确度光纤长度测量技术

为了克服传统调制相移法测量频率范围窄、测量准确度低的缺点,提出一种基于调制相移法的单模光纤长度精确测量技术.利用一体化矢量网络分析仪的高速调制信号同步技术及高频信号相位差测量技术,设计并研制了单模光纤长度测量装置.基于矢量网络分析仪自带的VBA插件编写了自动控制及数据处理软件,给出了相位变化量自动处理方法.利用研制的装置分别测量了长度为2km、40km和150km的单模光纤在不同工作波长点的长度值,实验结果表明,2km的光纤长度测量值实验标准偏差优于0.2mm,150km的光纤长度测量值实验标准偏差接近0.01m.该装置可对1 310nm、1 490nm以及1 550nm波长的光纤距离进行精确测量,为光纤长度的高准确度测量提供了一种新的技术途径.     

基于波分耦合器的光纤布拉格光栅传感器

为了实现对光纤布拉格光栅传感器的波长解调,使用普通的光纤波分耦合作为波长鉴别器件,将波长的变化转变成光强的变化,并用双路差动放大去除光源强度变化和外界干扰的影响。使用发光二极管(LED)作为光源以降低系统成本,因此使用调制光源和交流放大器对信号进行处理。实验达到约10με的应变测量分辨力和0．2℃的温度测量分辨力。是目前最廉价的光纤布拉格光栅传感器之一。     

用短程飞行时间吸收谱对铯磁光阱中冷原子温度的测量

介绍采用短程飞行时间吸收谱测量铯原子磁光阱(MOT) 中冷原子温度的基本原理及实验实现.与通常的飞行时间方法不同，采用短程飞行时间吸收谱来测量MOT 中冷原子云的温度.在MOT 区域正下方若干毫米处入射一束圆柱状共振探测光束(实验中对于h=3mm，5mm，8mm的情况均作了研究)，释放冷原子云，在其膨胀和自由下落过程中穿过探测光束，即可由光电探测器测得飞行时间吸收谱，由此推得MOT中冷原子的温度. 关键词： 磁光阱 冷原子 飞行时间 短程飞行时间 铯原子     

基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体的红外光谱吸收特性,研究了长光程差分吸收式甲烷气体检测的方法.差分吸收法消除了光源不稳定及光电器件的热零点漂移等因素对测量精度的影响,提高了系统检测灵敏度.该方法用LED16做光源,结构简单、成本低廉,配上专门设计的气室,响应度较高的探测器,以及以DSP为核心的数据处理电路,研制出了实用的甲烷气体传感器.     

基于紫外吸收光谱技术的混合气体SO2和H2S浓度的实时监测

采用紫外波段吸收光谱检测技术,实现了SO₂和H₂S混合气体各组分浓度的实时监测。在实验中选用氘灯为测试光源,MAYA2000Pro光谱仪用于采集数据。基于光谱的峰谷特性,选择吸收光谱上波长非常接近的两个来推导SO₂气体的浓度公式,该方法可以忽略其他气体散射和吸收的影响。H₂S气体的吸收光谱可以通过减去混合气体中相应的SO₂气体吸收光谱获得。在常温常压下,H₂S气体的浓度可以从H₂S气体的吸收光谱的吸收峰获得。混合气体的测量精度约为1×10^-6(1 ppm)。基于上述方法,实现了混合气体SO₂和H₂S浓度的实时监测。     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快，大气污染监控已受到广泛关注，为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统，并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法，通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正，提高吸光度信号的准确性，再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中，获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明，在500 K温度下，不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%，通过参数判断后再进行光谱提取和修正，得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度，实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

Ground-state pump-probe spectroscopy

The absorption/gain spectrum of a weak probe field is theoretically analyzed for an atomic three-level Λ system driven by a strong pump field and perturbed by collisions with buffer-gas atoms. It is assumed that both pump and probe drive the same transition. When the dark state is sufficiently long lived, the probe spectrum exhibits an extremely narrow (possibly subnatural-width) resonance. It is shown that coherence-preserving collisions drastically (both qualitatively and quantitatively) change the probe absorption spectrum even at a low collision frequency, when Dicke narrowing is negligible. Strong coherence effects on the resonance structure at low gas pressures is explained by a change in refractive index due to coherence-preserving collisions for particles in the resonant velocity group.     

一种测量磁光阱中冷原子密度和温度的新方法

报道了对磁光阱中冷铯原子吸收谱的实验观察,由于冷原子的多普勒增宽远小于激光发态超精细分裂,实验观察到三个孤立的吸收峰（Cs,6S1/2,F=4→6P3／2,F＝3,4,5,）其吸收系数比为3：7：12,这与相应跃迁振子强度一致。利用吸收信号测量了冷原子云的密度.结果与荧光探测法在10％的精度内符合;用吸收信号测量了冷原子的温度,测量结果与用荧光飞行时间法和释放捕捉法的结果吻合。     

可调谐激光二极管吸收光谱系统信号分析及谱线畸变校正技术研究

利用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体检测时,波长调制伴随的光强幅度调制,会使解调出的谐波谱线发生畸变.在傅里叶分析的基础上对可调谐激光二极管吸收光谱任意调制幅度的波长调制光谱信号进行了分析,给出了光强幅度调制引起吸收谱线畸变的理论解释.提出了在波长调制过程中进行旧步平抑幅度调制的方法来消除谱线畸变,设计了实验方案并...     

光中子源上吸收片功能研究

15 MeV电子直线加速器驱动的光中子源装置,将用于中国科学院战略性先导科技专项“钍基熔盐堆”中的核数据初步测量工作、中子探测器的研制和反应堆相关材料的辐照研究等。光中子源的中子能谱是连续的,中子能量通过中子飞行时间法测量得到,需要利用吸收片确认中子吸收峰,刻度飞行时间,计算等效飞行距离,扣除实验本底等,而实验本底的扣除对最终总截面计算有很大的影响。因此通过Geant4蒙特卡罗模拟软件构建了包括中子源、吸收片在内的模拟实验环境;研究了不同吸收片的吸收谱和吸收片厚度的关系,同理论计算值进行了比较,给出了推荐的吸收片厚度值;模拟计算了中子飞行时间谱,并和实验测量结果比较,确定中子等效飞行距离为5.70 m。Geant4的理论计算也可以模拟出多吸收片本底函数曲线,可用于实验数据的本底扣除和误差分析。实验测量、模拟分析以及理论公式计算的吸收片厚度和中子飞行时间参数得到了完全一致的结果,验证了实验测量的可靠性。A photo-neutron source driven by a 15 MeV electron LINAC is built for the "Strategic Priority Research Program" of the Chinese Academy of Sciences-the "thorium-based molten salt reactor" project to conduct the nuclear data measurement work,develop neutron detector and carry out reactor material irradiation studies.Since the neutron energy spectrum is continuous,the neutron energy is measured by the time of flight (TOF) method,and neutron filters are needed to confirm absorption peaks,calibrate the TOF,calculate the equivalent flight distance,and remove the experimental background which has great influence on the calculation accuracy of the total cross section.Based on the Monte Carlo simulation tool,Geant4 a simulation environment is set up,including neutron source and neutron filters,to study the energy absorption spectra and thickness of different filters and recommended data for the thickness are provided.The neutron TOF spectra are simulated and compared with experimental measurement,deciding the equivalent TOF distance to be 5.7 m.Geant4 can also simulate the background curve of multiple filters and be used to remove background and analyze errors for the experimental data.All the experiments,simulation and theoretical calculation show consistent results on filter thickness and neutron TOF parameters,indicating the accuracy of the measurement.     

可调谐二极管激光吸收光谱射流强化

可调谐二极管激光吸收光谱分析技术(TDLAS)是近年来兴起的一种痕量气体分析方法。因其高分辨率、高分析速度、非接触测量、可实时在线监测等优点，受到人们广泛青睐，已经广泛应于科研和工业自动化等领域的气体检测中。为了满足分析仪器测量灵敏度和精度的要求，对于很低浓度和信噪比较小的痕量气体浓度测量，往往需要较长的吸收光程和复杂的数据处理算法，这增加了分析仪器的软硬件成本。本文提出利用高压气体射流产生的减压作用，在不改变TDLAS分析仪器软硬件设置的条件下提高TDLAS的分析能力。对于安装于样气压力为0.3～0.5 MPa和排气压力为219.3 kPa的TDLAS分析系统，实验结果表明，通过射流强化的方法，可以使信噪比提高24倍，探测灵敏度提高一个数量级，测量精度提高6.3倍。     

Probing Bose-Einstein condensation of excitons with electromagnetic radiation

We examine the absorption spectrum of electromagnetic radiation from excitons, where an exciton in the 1s state absorbs a photon and makes a transition to the 2p state. We demonstrate that the absorption spectrum depends strongly on the quantum degeneracy of the exciton gas, and that it will generally manifest many-body effects. Based on our results we propose that absorption of infrared radiation could resolve recent contradictory experimental results on excitons in Cu(2)O.