气体峰值吸收系数随压强变化关系的理论分析

峰值吸收系数对于污染气体的定量分析以及分子参数的理论研究等都具有非常重要的意义。文章首先从理论上分析了气体的吸收系数α(ν) ,得出计算α(ν)的一般方法。其次通过分析甲烷 2ν3 带R3支吸收线 ,得出峰值吸收系数α(ν0 )随压强的变化关系 ,得到压强在 <0 0 3和 >2atm时 ,可分别用Gauss线型和Lorenz线型来计算峰值吸收系数 ,理论上得到很好的结果 ,并对结果进行了误差分析。最后讨论了单位长度峰值吸收κ(ν0 )随压强的变化关系 ,分析得出气体压强在 <0 1和 >1atm时可分别作为获得高分辨率和高灵敏光谱的气压条件     

光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性

腔衰荡光谱技术是一种高灵敏的腔增强分子吸收光谱测量技术,由于激光频率噪声大,导致激光到腔耦合效率低,严重限制了其对痕量气体的探测灵敏度.光学反馈可以有效压窄半导体激光器的线宽,提高激光到外部谐振腔的耦合效率.本文基于精细度为7800的Fabry-Pérot腔,发展了光学反馈线性腔衰荡光谱技术.首先从光场相位的角度给出了线性腔光学反馈的原理,然后分析了影响测量不确定性的因素,包括光学反馈率、衰荡信号触发阈值、探测器相对透射汇聚光斑位置等.实验结果表明,通过设置低反馈率(3%自由光谱区间)、高衰荡信号触发阈值(90%腔模幅度)以及将光斑聚焦到探测器有效面中心等措施,结合光学反馈效应,可将空腔衰荡时间的相对不确定度提升至0.026%,远优于传统腔衰荡技术获得的典型值.系统在积分时间为180 s时,获得探测灵敏度为1.3×10^–10 cm^–1,对应甲烷的最小可探测吸收体积浓度为0.35×10^–9,从而满足了碳监测的要求.     

Recent progress on laser-induced breakdown spectroscopy for the monitoring of coal quality and unburned carbon in fly ash

Our recent progress on developments of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) based equipments for on-line monitoring of pulverized coal and unburned carbon (UC) level of fly ash are reviewed. A fully software-controlled LIBS equipment comprising a self-cleaning device for on-line coal quality monitoring in power plants is developed. The system features an automated sampling device, which is capable of elemental (C, Ca, Mg, Ti, Si, H, Al, Fe, S, and organic oxygen) and proximate analysis (Q _ad and A _ad) through optimal data processing methods. An automated prototype LIBS apparatus has been developed for possible application to power plants for on-line analysis of UC level in fly ash. New data processing methods are proposed to correct spectral interference and matrix effects, with the accuracy for UC level analysis estimated to be 0.26%.     

Theoretical analysis of cavity saturation spectroscopy of weak molecular absorbance

A theoretical analysis of sub-Doppler molecular saturation spectroscopy by use of a confocal Fabry Perot (CFP) cavity is presented. The effects of gas pressure, cavity length and mirror reflectivity on the saturation dip amplitude are analysed. Such a treatment can provide the optimum conditions and a guidance for the experiment of saturating the weak molecular absorption lines.     

Frequency stabilization of diode laser to 1.637 μm based on the methane absorption line

The frequency of an external-cavity diode laser has been stabilized to 1.637 μm by using the reference of absorption lines of methane. The method can be applied to wavelength division multiplexed optical communication, fiber-optic sensing systems, as well as the high-sensitivity detection of methane. The derivative-like error signal yielded by frequency modulation and phase sensitivity detection technology is inputted into the PI feedback loop circuit in order to stabilize the frequency to the line center. After stabilization, the frequency fluctuation of diode laser is held within 5.6 MHz, and the root of Allan variance of error signal reaches a minimum of 1.66×10-10 for an average time of 10 s.     

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10~(-9)cm~(-1)(2 s平均).     

高效频率转换下双波长外腔共振和频技术研究

基于外腔的高效频率转换, 尤其是当系统运行在抽运不消耗近似机理下, 信号光可实现大于90%的转换, 因此无法通过信号光直接获得其到腔模频率锁定的误差信号. 本文通过对信号光调制、和频光解调的方法获得了该误差信号, 实现了双波长激光到外腔腔模的级联锁定. 实验中外部环形腔将1.3 W的1064 nm抽运光放大到约14.3 W. 当1583 nm信号光从10 μW变化到50 mW, 其到636 nm和频光的转化效率约为73%; 当从50 mW变化到295 mW时, 转换效率呈线性降低到60%, 最终获得了440 mW的636 nm激光.     

基于KTP键合晶体的Hansch-Couillaud双波长外腔频率锁定机理

基于KTP键合晶体采用Hansch-Couillaud频率锁定技术实现了双波长外腔同时共振,理论和实验上分别研究了基于键合KTP晶体的HC频率锁定方案. 研究表明,与采用单KTP晶体的结果相比,采用键合KTP晶体进行HC锁频时,能将激光频率分别锁定到e₁光或e₂光的共振峰值. 实验中将环形腔腔模频率锁定到938nm激光器的输出频率上,1583nm激光器的输出频率锁定到环形腔腔模频率上,从而实现了三者之间的相位关联锁定. 关键词： 键合KTP晶体 Hansch-Couillaud锁频 双波长外腔共振     

噪声免疫腔增强光外差分子饱和光谱线型的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、频率标准、原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中,高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作用路径的同时,极大的提高了腔内激光功率,这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构,因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导,获得了光谱线型的表达式,同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟,其中调制频率、饱和参量、频率调制系数分别设置为384 MHz,10和0.2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成,在包络上存在四个亚多普勒饱和结构;色散光谱由载频以及边带的色散三者决定,并在包络上存在五个亚多普勒饱和结构,获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化,由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带,因此虽然载频饱和参量很大,但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大,主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关,可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性,与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。     

利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于6 105.369 4 cm-1处的弱吸收线的高次谐波,并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制,用Visual Basic 6.0编制了一套通信应用程序,界面友好。实验结果与理论分析相吻合,充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波,能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测,从而为高灵敏探测污染气体提供了一种简单有效的实验方法。