消除波长调制光谱中激光能量起伏对谐波信号干扰的新技术

利用扫描外腔二极管激光器(ECDL）后镜压电陶瓷(PZT）电压时频率变化和背景能量起伏之间存在相位差的特性,通过矢量锁相放大器将一个探测器探测到的信号成份和背景起伏噪声分开,获得标准的1f~4f信号.如果不存在这个相位差,则无法消除谐波信号背景干扰.这种技术简单、实用,对理论分析谐波信号以及实现高灵敏探测污染气体传感器的小型化都有重要的指导意义.     

中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性,使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理,给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响,使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。结合原理框图,通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案,描述了自主研制的软、硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考,并给出传感器光学配置实物图。而且,为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽,对气压和调制深度进行优化,研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系,最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1,对应的调制信号幅度为~0.026 V。此外,基于优化后的气压和调制深度,使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。详细介绍了ICL扫描调制信号、锁相放大及数据采集单元的参数设置,并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号,估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。最后,使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试,并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。而且,使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。结果显示,该系统工作稳定,积分时间为4 s时,乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。通过增加系统积分时间至63 s,系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。     

基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

光声信号强度与光功率成正比,然而,高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点,此类光源多集中在>6 μm波段,难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。而且,基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大,不能满足多点连续移动监测工作的需要。利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法,在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。使用的ICL靶向乙烷(C₂H₆)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法,结合波长调制光谱技术,实现了高灵敏检测,同时,有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。首先,结合系统原理结构,顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节。分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况,以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响,最终确定系统工作气压为200 Torr。然后,通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C₂H₆进行单周期光谱扫描测试分析,推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试,系统线性性能良好,相关度为0.999 65,同时,明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。最后,通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V,由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。介绍的新型中红外C₂H₆传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量,而且,使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积,弥补了使用商用仪器占用体积大的不足,为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础。此外,对于功率消耗无限制的其他应用,可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度,并应用于更多场景。     

音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究

以标准商用石英音叉（QTF）为测声模块的石英增强光声光谱（QEPAS）技术是近年来发展迅速的一种痕量气体检测技术。标准商用QTF拥有的小体积,高Q值,高共振频率的特性使QEPAS技术具有结构紧凑且对环境噪声免疫的特性。但传统商用QTF狭窄的振臂间距以及较高的共振频率,使其无法在光源光束质量较差或被测气体弛豫率较低的情况下被很好的应用于QEPAS系统。为克服上述难题,非标准商用QTF（f₀≠32.7 kHz）被设计制作并越来越多的被装配于QEPAS系统中。因此,QTF共振频率对QEPAS系统信噪比的影响需要被详细研究。以水汽为目标气体,采用二次谐波调制解调技术研究了QTF共振频率对基于QEPAS技术传感器性能的影响。实验结果表明,QTF共振频率的变化对QEPAS系统的输出信号及噪声均有显著影响且QTF共振频率与QEPAS系统信噪比之间存在反比关系。上述结论对QEPAS系统中非标准QTF的设计及使用均具有重要的指导价值,对该类传感器的研发及应用意义重大。     

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.     

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。     

多光束傅里叶望远镜的关键技术

为了实现对远距离暗弱快速运动目标的高分辨率成像,基于多光束傅里叶望远镜的组成,对光学分系统、机械分系统、电子分系统和软件分系统涉及的关键技术进行了分析和讨论。针对光学分系统主要分析了激光光源、相位延迟器,声光移频器和光电倍增管所涉及的主要技术指标;机械分系统讨论了发射望远镜指示和跟踪精度、发射光束的快速切换和主镜的拼接支撑结构等;电子分系统介绍了同步控制、电磁屏蔽和配电等需要注意的问题;而针对软件分系统则讨论了光束快速切换、位置和角度变化的同步控制和图像恢复等。对上述关键技术的分析和讨论为多光束傅里叶望远镜系统的研制提供了参考。     

激光光斑形状和尺寸对扫描显示中散斑对比度的影响

计算了圆形、矩形激光光斑对于激光扫描显示系统中散斑对比度的影响.对于圆形光斑,当光斑尺寸大于散射表面相关长度时,得到的散斑对比度随着光斑尺寸变小而下降;当光斑尺寸接近表面相关长度大小时,由于光斑中包含的散射颗粒变少,得到的是非高斯散斑,散斑的对比度反而会变大;随着激光斑进一步变小,由于镜面反射效果散斑的对比度会很快下降.对圆形光斑部分结果给出了实验验证.为了保证光斑中有足够的散射颗粒,只在一个方向压窄光斑,分别计算了平行于扫描方向和垂直于扫描方向压窄光斑得到的散斑对比度.平行于扫描方向压窄光斑,散斑的时间相关性会下降,平均效果变明显,散斑的对比度变小;垂直于扫描方向压窄,散斑对比度变化不大.