基于光腔环路衰荡光谱技术气体浓度测量的研究

为了实现痕量气体在线测量与分析,设计了光纤环路光腔衰荡多组分气体浓度在线测量系统;基于非线性光腔衰荡技术,利用所设计的系统对气体浓度在线测量并进行了实验分析;得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律和1 ppb的分辨率.实验表明该方法对痕量气体的在线测量是有效的.     

光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术测量腔镜高反射率的对比研究(英文)

基于半导体激光器的光反馈效应,提出了光反馈光腔衰荡技术用于测量腔镜的高反射率。相对于没有光反馈的情况,光腔衰荡信号振幅提高了两个数量级,从而大大提高了高反射率测量精度。在四个衰荡腔长采用光反馈光腔衰荡技术测量得到的腔镜反射率非常一致,统计平均值为99.9356±0.0008%。通过实验比较了光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术。结果表明,光反馈光腔衰荡技术的测量精度比脉冲光腔衰荡技术高。     

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。在25 ℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv,3.5 ppmv和4.0 ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3 654和526 ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3 898和630 ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。     

连续波腔衰荡光谱系统的电路设计与应用

为实现连续波腔衰荡光谱系统的工程化,设计了一套集信号调理、高速采样及数据处理为一体的高集成度数字信号处理(DSP)系统。该系统被用于取代常规连续波腔衰荡光谱系统中由高速数据采集卡及计算机组成的腔衰荡信号测试系统,完成对腔衰荡信号的获取与拟合。该系统最高能实现16 bits/80 MHz的信号采样,并能准确地由腔衰荡信号反演出腔衰荡时间。实验结果表明：结合现有的光反馈式连续波腔衰荡光谱系统,该系统能实现等噪声测量灵敏度为1.0×10-8 cm-1的吸收光谱测量,其重复测量精度可达3‰。     

CO2/CO干扰下基于腔衰荡吸收光谱的痕量H2S浓度测量

H₂S作为一种有毒且腐蚀性较强的气体污染物,实现其浓度的准确测量意义重大.实际工业过程中,H₂S测量常受其他排放产物的干扰,本文基于腔衰荡吸收光谱技术(CRDS)通过扫描6336—6339 cm^-1范围内的吸收光谱,实现了H₂S/CO₂/CO三组分物质浓度的同步测量,为实际工业过程中物质干扰下的H₂S浓度测量提供新思路.首先,对不同采样长度下提取衰荡时间的准确性进行分析,发现衰荡信号的采样长度约为衰荡时间的8倍时,衰荡时间提取效果最好;通过不同压力对比实验确定最佳实验压力工况为50 kPa,并将最佳采样长度与压力工况应用于H₂S浓度测量.随后,改变H₂S浓度对CO₂/CO干扰下系统对痕量H₂S浓度的测量效果进行检验,并对不同稀释比例下浓度测量结果的线性度进行分析.最后,对本文CRDS系统的检测限进行分析,通过对4组低浓度H₂S光谱的信噪比进行分析,...     

高灵敏度快速扫描光腔衰荡光谱方法探测大气CH_4含量

搭建了基于近红外连续激光器的高灵敏度快速扫描光腔衰荡光谱仪(SC-CRDS)。通过压电陶瓷(PZT)快速扫描腔长,并用跟踪电路使腔长自动跟踪激光波长变化,实现衰荡光谱的快速测量。利用CH4在1653.73 nm(6046.95 cm-1)附近的光谱吸收峰,用该装置对CH4气体含量进行测量。通过测量多个光谱点确定吸收线中心吸收峰值和激光波长,并反馈补偿激光中心波长使其稳定在吸收线,成功解决了由于激光器波长/频率严重漂移导致的不能持续准确测量问题。利用标准浓度的CH4样品校准其1653.73 nm吸收峰谱线强度。该光腔衰荡光谱仪装置结构简单,性能稳定,CH4浓度检测限达到1.0×10-9,可用于长时间监测室外空气中的CH4浓度。     

连续波腔衰荡光谱系统的电路设计与应用

 为实现连续波腔衰荡光谱系统的工程化,设计了一套集信号调理、高速采样及数据处理为一体的高集成度数字信号处理(DSP)系统。该系统被用于取代常规连续波腔衰荡光谱系统中由高速数据采集卡及计算机组成的腔衰荡信号测试系统,完成对腔衰荡信号的获取与拟合。该系统最高能实现16 bits/80 MHz的信号采样,并能准确地由腔衰荡信号反演出腔衰荡时间。实验结果表明：结合现有的光反馈式连续波腔衰荡光谱系统,该系统能实现等噪声测量灵敏度为1.0×10^-8 cm^-1的吸收光谱测量,其重复测量精度可达3‰。     

基于腔衰荡技术的光纤双环路一氧化碳浓度监测系统研究

对光纤环形腔技术的传感原理进行了理论推导,并设计了一种双环路一氧化碳浓度测量系统.分析了掺铒光纤放大器在系统中的作用及其增益波动对系统的影响,通过对掺铒光纤放大器的增益进行反馈控制,进一步了提高了测量系统的稳定性和精确性.通过实验,得出了不同浓度的一氧化碳所对应的衰荡曲线.分析了不同浓度的气体对光的吸收特性及衰荡时间与浓度的关系,为实现气体浓度的高准确度在线测量提供了重要的依据.     

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).     

光腔衰荡法数据截取对时间常数测量精度的影响分析

光腔衰荡方法是目前测量光学元件超高反射率(反射率>99.9%)的唯一方法。介绍了一种对光腔衰荡法中激光信号强度与时间关系的优化提取方法。设计了基于光腔衰荡法的光学元件超高反射比的测试系统,通过对采集的光腔衰荡曲线数据进行分段指数拟合,将光腔衰荡曲线数据分为5段,对每段指数拟合结果对应的R² (R-square)和RMSE(root mean squared error)值进行对比分析,计算每段指数拟合的衰荡时间。实验结果表明:截取光腔衰荡曲线数据40%～60%部分拟合得到的结果最接近真实值,求得对应的腔镜的反射率为99.988 977%。最后通过与腔镜的自身反射率进行比较,表明该种数据拟合方法能有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。     

Investigation on an evanescent wave fiber-optic absorption sensor based on fiber loop cavity ring-down spectroscopy

An improved ring-down measurement principle for optical waveguides is presented. Fiber loop ring-down spectroscopy allows for measurement of minute optical losses in high-finesse fiber-optic cavities and immunity to the fluctuation of laser source. The evanescent wave absorption losses dependent on the absorption and the refractive index of ambient solution have been theoretically analyzed. The complex refractive index is introduced into our model and extinction coefficient can be calculated accurately through finite element analysis by setting the boundaries of the fiber and the ambient conditions. Using this method, the refractive index of environment can be taken into consideration. Our principle is validated by the highly-sensitive measurement of evanescent wave absorption loss. By chemically processing the surface of sensing segment along an extending ring-down cavity, the concentration of small volume Diethyl Sulphoxide solution where the etched fiber immersed into has been successfully measured and discussed.     

光腔衰荡光谱方法探测痕量一氧化碳气体

基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器(DFB),搭建了一套光腔衰荡光谱仪(CRDS)。衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成,衰荡腔长约为130 cm,空腔衰荡时间约为150 μs。当光谱平均次数达到1 000次时,光谱仪灵敏度(最小可探测吸收系数)达到5×10-12 cm-1。利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长,并使用衰荡光腔自身作为光学标准具,来标定光谱的频率：利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率,使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配,从而实现所测得光谱的自动标定。通过测量一氧化碳分子在1.565 μm附近的吸收光谱,测定气体中一氧化碳的含量。将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比,对装置的定量精度进行了检验,表明其对一氧化碳的探测极限达4 ppbv。利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测。     

任意球面元件的超高反射率测量方法

为了实现任意球面元件的超高反射率测量,提出直腔和折叠腔两种光腔结构,以实现0,10,15和30等不同角度下球面元件的超高反射率测量。详细分析了这两种测量方式,根据光束传输变换公式,推导了任意球面元件在测量中引入的衰荡光腔物理腔长的变化,得到了实验测量中腔长调节指导。并根据光腔衰荡法原理,推导了球面元件在超高反射率测量中的通用数学表达式,对测量公式进行了讨论,分析结果扩展了光腔衰荡法在元件超高反射率测量的使用范围。     

Trace Moisture Measurement with 5. 2 mu m Quantum Cascade Laser Based Continuous-Wave Cavity Ring-Down SpectroscopyEI北大核心CSCD

Trace moisture concentration in high-purity gases is an important parameter in semiconductor manufacturing because many manufacturing processes are sensitive to moisture even on the level of parts per billion by volume (ppbv). Detection of trace moisture in mid-infrared spectral region is beneficial due to more abundant and stronger spectral lines in this region. Recently, Quantum cascade lasers (QCLs) with high output power, narrow line-width, and high reliability have been developing rapidly and have become promising light sources for sensitive spectroscopic measurements. By employing a 5. 2 mu m external-cavity tunable quantum cascade laser, a continuous-wave cavity ring-down spectroscopy (CRDS) experimental setup is established and applied to detect trace moisture in high-purity nitrogen gas. In the experiment, the CRDS signal is averaged to improve the detection sensitivity, and the optimal averaging number is determined by Allan variance calculation to be 602. For trace moisture detection, the absorption cross-section of H2O in the spectral range between 1 905 and 1 925 cm(-1) is simulated according to the HITRAN database and the optimal detection spectral line is chosen. Detected at 1 918 cm(-1) absorption line at 296 K temperature and 1 atm pressure, the measured moisture concentration is in good agreement with the nominal value, and the minimum detectable moisture concentration of 24. 8 ppbv is achieved when cavity mirrors with reflectance of 99.93% are used. The experimental results show that mid-infrared cavity ring-down spectroscopy technique has great potential in a wide variety of applications, such as industrial production control, environmental monitoring and health diagnosis, etc.     

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。     

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

 只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响，推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系，模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明：对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器，为了保证10^-6的测量精度，腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器，可以提高测量精度。     

Optical feedback cavity ring-down technique for accurate measurement of ultra-high reflectivity

A novel cavity ring-down (CRD) technique, based on the optical feedback effect of Fabry–Perot diode lasers, is developed for accurate reflectivity measurement of highly reflective cavity mirrors. The strong optical feedback, including the direct reflection from the front cavity mirror of a linear ring-down cavity, is re-injected into the oscillator cavity of the diode laser, and large resonant peaks are observed in the ring-down cavity output signals. The diode laser is switched off by a threshold circuit when the amplitude of a resonant peak exceeds a pre-defined threshold. Exponentially decayed signals recorded immediately after switching off the laser are used to determine the cavity decay time. The ultra-high reflectivity of cavity mirrors is measured to be 99.99606% with a reproducibility of 0.00003%. Compared with the previous phase-shift CRD technique, the signal-to-noise ratio of the cavity output signals is improved with an enhancement factor of over 100.