基于室温脉冲工作量子级联激光器的脉间光谱技术研究

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。     

基于量子级联激光器的红外光谱技术评述

量子级联激光器是一种新型的红外相干光源。利用量子理论与带隙工程,量子级联激光器可实现3 μm到100 μm波长范围内的任意输出波长。由于大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段,而中红外量子级联激光器具有功率高、线宽窄、扫描速度快等独特的优点,因此,基于量子级联激光器的红外光谱技术已成为气体检测技术的研究热点。尤其是,近年来室温激光器性能得到不断的完善,输出功率和电光转换效率得到了极大的提高,这在很大程度上推动了红外激光光谱技术的迅速发展。本文根据工作原理,分别介绍了基于直接吸收谱检测、相位调制光谱检测、光声调制光谱检测和法拉第旋光效应光谱检测的量子级联激光器红外光谱检测技术,并对其实现方法和应用情况进行了介绍。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m. 关键词： 量子级联激光器 中红外 多项式拟合 扫描积分     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m.     

基于单个量子级联激光器的大气多组分测量方法

利用单个新型中红外量子级联激光器作为激光光源,结合长程光学吸收池技术开展了大气多组分同时测量方法的研究.通过结合基于自适应性Savitzky-Golay滤波的数据处理算法,有效地提高了系统检测灵敏度和光谱分辨率.研究结果表明,在1 s的时间分辨率和1 atm压力条件下,采用二次微分探测技术可实现CO,N_2O和H_2O测量精度分别为8.20 ppb,7.90 ppb和64.00 ppm(1 ppb=10~(-9),1 ppm=10~(-6));通过提高信号平均时间,在最佳的积分时间(85 s)时,系统可实现的最小检测限分别为1.25 ppb(CO),1.15 ppb(N_2O)和35.77 ppm(H_2O).整个系统具有结构紧凑,成本相对较低,通过选择其他波段的量子级联激光器的激光光源,即可实现对其他分子的实时分析.本系统可广泛应用于大气化学等领域的应用研究.     

2.5 THz量子级联激光器的研制

基于束缚态到连续态跃迁有源区能带结构,实现了2.5 THz量子级联激光器的连续波工作。激光器的输出频率随电流可在2.45~2.47 THz之间可调,在连续波工作模式下的最高输出功率大于6.0 mW,最高连续波工作温度为60 K,阈值电流密度为120 A/cm2,经Si透镜整形后的输出光斑为高斯分布。     

5.2μm量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测

高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数,气体中残余水汽含量即使是ppbv量级也会对产品质量产生影响。气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线,在该区域对水汽含量进行检测十分必要。宽调谐范围、高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展,推动了该区域红外光谱检测技术的发展。首次在中红外波段,采用5.2μm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痕量水汽的检测装置,并开展了痕量水汽检测实验。通过阿伦方差分析系统噪声水平,确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。根据HITRAN数据库,模拟实验条件下1 905~1 925cm~(-1)范围内水汽的吸收截面,选取最佳的检测谱线位置。在常压和室温下,对1 918cm~(-1)附近的水汽吸收光谱进行测量,测定高纯氮气中的痕量水汽浓度,检测结果与标称值一致。在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8ppbv。分析结果表明,中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。     

量子级联激光器有源核中界面声子的特性研究

研究了量子级联激光器有源核中界面声子的色散关系和静电势分布. 根据有源核内部的平移不变性导出了界面声子的色散关系. 计算显示有源核中的界面声子可以分为体声子和表面声子模式. 体声子的色散曲线构成一系列准连续的声子子带，其静电势分布于整个有源核并呈现出Bloch波的特征. 表面声子的色散曲线位于各体声子子带的带隙内，其静电势局域在有源核一侧. 这些结果将有助于量子级联激光器和子带跃迁激光器的优化设计.     

基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测

解析大气中HONO和N₂O₄的光化学循环及其来源,需要对其质量分数进行准确测量,而质量分数测量的前提是吸收线参数的准确度量。采用7.8μm室温连续量子级联激光器和长光程多次反射吸收池对实验产生的HONO和N₂O₄气体进行了同时测量,确定了两种气体的吸收线频率。根据已知的1280.4 cm^-1处trans-HONO的吸收线强,计算得到trans-HONO的质量分数为(0.72±0.04)×10^-6,相应的系统最低检测限为(11.15±0.50)×10^-9。利用中红外量子级联光谱技术同时对HONO和N₂O₄进行分析研究,所得到的谱线参数也为HONO和N₂O₄质量分数的实时监测、化学反应过程的分析等提供了重要的依据。     

基于脉冲石英增强光声光谱的中红外超高灵敏CO探测

发展了一种超高灵敏的CO痕量气体测量装置,该装置采用4.65μm脉冲式中红外外腔量子级联激光器作为激发光源,结合石英增强光声光谱技术,对2135~2225cm-1之间的CO基频振动光谱带R支进行连续光谱扫描。水被加入到被测气体中,以加快较慢的CO分子振动-平动弛豫率。在锁相放大器时间常数为3ms,激光器占空比和扫描速率为50%和18cm-1/s时,获得的最小探测极限为4.6×10-8(体积分数),与之对应的归一化噪声等效吸收系数为1.07×10-8 cm-1 W/Hz。     

N2O脉冲高压直流放电的光谱研究

建立了一套产生瞬变物种的脉冲高压放电及其光谱探测的分子束装置,该装置的放电部分可在最高10kV电压条件下长期稳定工作,在数据采集中利用软件实现了取样积分器的功能,并且可以进行多通道数据的同时采集。利用此装置在几Pa压力下对N2O脉冲高压直流放电过程进行了研究,对得到的N2O (A~2Σ —~X2Πi)发射谱进行了标识,由振动光谱的强度得到了N2O ~A态的相对振动布居,和以往的研究结果相比,得到的N2O ~A态更偏离Bolzmann分布,产生的~A态是初生态。     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

Si2N2O基体铌酸锂调制器有限元法研究

提出一种新型基于Si2N2O基体的LiNbO3行波调制器,利用有限元方法对该调制器进行数值分析并获得调制器的优化结构尺寸.该新型调制器带宽达到120 GHz,半波电压为3.5 V,特性阻抗为50.2 Ω.结果表明该调制器具有大的调制带宽和良好的阻抗匹配,在未来光通信中具有很好的应用前景.     

挥发份的均相反应等对N_2O、NO生成影响的模拟与实验研究

用模拟和实验相结合的方法研究了挥发分的均相反应、温度等因素对N2O、NO生成与分解的影响。研究发现，挥发分主要通过分解反应影响N2O的排放量，而主要通过生成反应影响NO的排放量。与高挥发分煤混合燃烧时，不仅N2O生成量降低，氮生成N20的总体转化率也下降。N2O的经时特性要经历一个从生成到分解的过程。     

基于可调谐光纤激光器的C2H2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.     

Infrared Optoacoustic Spectroscopy of 13CD3OD Around 9P CO2 Laser Lines

In this work we present the results of an investigation about Doppler limited infrared absorbing transitions of the in-plane methyl-rocking and the asymmetric methyl deformation modes of ¹³CD₃OD by means of optoacoustic detection. This is an alternative and attractive technique to be applied to this methanol isotopomer, in comparison to Fourier transform spectroscopy. In fact the contamination problem associated with the fast exchange of OD by OH in the molecule limits the use of the Fourier transform technique. Using a waveguide CO₂ laser of 290 MHz tunability on each line we were able to observe 20 IR absorptions, most of them of large offset. The data will be useful in theoretical analysis of this molecule, as well as in the generation of FIR laser radiation in optically pumped molecular laser.     

Infrared Optoacoustic Spectroscopy of CHD2OH Around 10R and 10P CO2 Laser Lines

In this work we present results of an investigation on Doppler limited infrared absorbing transitions of CHD₂OH by optoacoustic detection. It is an alternative and attractive technique to be applied to this methanol isotopomer, in comparison to Fourier transform spectroscopy. Using a waveguide CO₂ laser of 290 MHz tunability on each line, we were able to observe 60 IR absorptions, most of them of large offset. The data will be useful in the theoretical analysis of this molecule, as well as in the generation of far-infrared (FIR) laser radiation in optically pumped molecular lasers.     

基于OPO脉冲激光激发光声光谱的真假血液分类鉴别

为了实现快速准确并可回收再利用地鉴别真血和假血,采用光声光谱技术构建了一套血液光声检测系统并获取血样的光声信号.选取三种动物真血(马血、牛血和兔血)和两种假血(道具假血和红墨汁)共125组血样作为实验样本.获取了700～1064 nm波段内所有样本的光声信号和光声峰峰值谱.实验表明,真血和假血的光声信号幅度、轮廓、峰值...     

Laser Based Techniques for Ultra Trace Isotope Production, Spectroscopy and Detection

A variety of research activities in the field of fundamental and applied nuclear physics has evolved in the last years using resonantly tuned radiation from powerful lasers. The technique of resonance ionization spectroscopy has delivered outstanding results and found broad acceptance in the last years as a particularly efficient and highly selective method for rare and exotic radioisotope studies. It is used for production, spectroscopy and detection of these species and provides complete isobaric, high isotopic and even some isomeric selection, which altogether is needed for on-line investigation of short lived species far off stability as well as for ultra trace determination. Good overall efficiency pushes the experimental limits of detection in elemental trace analysis down to below 10⁶ atoms per sample, and additionally isotopic selectivity as high as 3 × 10¹² has been demonstrated. The widespread potential of resonance ionization techniques is discussed, focusing on the experimental arrangements for applications in selective on-line isotope production, spectroscopy of rare radioisotopes and ultra trace determination of radiotoxic isotopes like ²³⁸Pu to ²⁴⁴Pu, ^135,137Cs, ^89,90Sr or ⁴¹Ca in environmental, technical and biomedical samples.