石英音叉增强光声光谱甲烷检测系统

甲烷是瓦斯的主要成分和温室气体之一,检测甲烷浓度对于工业生产安全和人员的生命健康保障均具有重要意义。本文设计了一种用于甲烷检测的共轴石英音叉增强光声光谱系统,利用石英音叉较高的品质因数克服了传统光声光谱技术中麦克风易受环境噪声干扰的缺点。设计了小型化气室,其体积仅为3 cm×2 cm×1 cm,简化了检测系统的结构。结合波长调制技术,分析了二次谐波信号幅值与调制深度的关系,实验得到的最佳调制电压幅度为0.175 V,对应的调制深度为0.169 cm^-1。对甲烷浓度(体积分数为5×10^-4～5×10^-3)和二次谐波信号幅值进行拟合,线性度为0.99791;采用Allan方差分析了系统的稳定性,当平均时间为5 s时,系统的检测下限为4.337×10^-5。基于小体积光声池的光声光谱气体传感器具有体积小、质量轻、成本低的优点,更适合于便携式传感应用。     

利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）并结合波长调制，在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH₃进行浓度测量.在10m的长程吸收池内得到了25×10^-6的浓度信号，并且在25×10^-6—400×10^-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰，并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法. 关键词： 可调谐半导体吸收光谱 波长调制 3浓度测量')" href="#">NH₃浓度测量 颗粒影响     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0～40×10^-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×10⁶ pm,分辨率为1.9×10^-6。当氨气的体积分数为20×10^-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。     

氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现

氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3 000 m的光程,将中心波长为1 528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6 548.611 cm^-1和6 548.798 cm^-1附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^-5～5×10^-5范围内NH₃进行了检测。测量结果表明NH₃浓度与信号幅值的线性拟合度R²可达0.999 79。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^-9,在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^-9(S/N～1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检...     

Cu3Mo2O9/MoO3纳米复合材料制备及三甲胺气敏性能研究

水产品的新鲜度极大地影响着人类的生命及身体健康,水产品在存放过程中会释放出以三甲胺为代表的胺类气体,通过检测这类气体的浓度可以监控水产品的新鲜度.本文以具有优良气体敏感性能的MoO₃纳米带作为基体,通过引入Cu₃Mo₂O₉纳米颗粒制备Cu₃Mo₂O₉/MoO₃复合材料,具有非常好的三甲胺气体敏感性能、快速响应/恢复时间及长期稳定性.结果表明,采用这种复合材料制备的气敏元件在50—240℃,质量分数为5×10^-6时对三甲胺气体的响应可达到R_air/R_gas=13.9,最小检测极限的体积分数为2×10^-7.分布在MoO₃纳米带表面的Cu₃Mo₂O₉颗粒与基体形成异质结界面,利用Cu₃Mo₂O_...     

基于微型多次反射腔的TDLAS二氧化碳测量系统

海气界面CO₂测量对于海洋科学研究具有重要意义,在目前的海洋CO₂测量仪器中,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的设备因灵敏度高、环境适应性强等特点受到关注。TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。针对海洋CO₂脱气量小且灵敏度高的测量需求,自主设计了一套微型多次反射腔,用于TDLAS系统的CO₂测量。该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、焦距为50 mm的球面反射镜,以38 mm的腔长实现了253次反射,获得了约10 m的光程,封装后的样品池体积仅有90 mL。基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO₂气体浓度测量系统,通过标准气体对该系统进行了测试,检测限约为26×10-6,不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪(UGGA)进行了对比测量,结果表明二者在白天CO₂浓度波动较大和夜晚CO₂浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性,R2大于97%。实验结果证明了系统性能,下一步将优化试验装置并进行现场应用。     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

基于TDLAS技术的海水中溶存CO2原位测量实验研究

海洋与大气交换的CO₂通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标,其估算方法主要依赖于海水中CO₂的测量。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常用的气体浓度检测技术,因其具有较好的环境适应性、选择性和较高的灵敏度,亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO₂原位探测的可行性,将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合,实现了海水中溶存CO₂的原位探测。为适应水下的复杂环境,样机整体被设计为铝合金密封舱结构,具有良好的密封性、耐压性与耐腐蚀性。激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器,其波数扫描范围为4 992～4 994.5 cm-1,可覆盖CO₂在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X,可满足样机在深水区长期探测的目的。为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求,样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池,有效吸收光程可达8 m,内部仅需气体量24 mL,具有良好的吸收特性。在实验室对样机进行校正实验,使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6,503×10-6,802×10-6,1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO₂气体进行测量,测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%,最大相对误差小于8%,减小了样机误差对测量值的影响。为评估样机长时间工作的稳定性,使用样机对浓度为802×10-6的标准CO₂气体进行了30 min的连续测量,平均测量浓度为802.6×10-6,其波动范围仅为10×10-6,样机精度约为0.5%,可满足水中溶存气体探测的要求。选取水深3米的近海码头进行试验,成功获得了24 h水中CO₂的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果,验证了样机水下工作的能力与稳定性。通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验,成功获取溶存CO₂的典型吸收光谱,证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。     

高灵敏复合光波导硫化氢气体传感器的研究

通过浸渍提拉法制备出TiO₂薄膜/锡掺杂玻璃复合光波导(OWG)元件,在其表面利用旋转甩涂法固定一层酞菁锌(ZnPc)敏感层,制备了高灵敏度的硫化氢(H₂S)复合OWG气体传感器。优化传感器的制备条件,当提拉机的提拉速度为80 mm·min^-1、匀胶机转速为1600 r·min^-1、ZnPc的质量分数为0.05%时,该传感器对H₂S气体的选择性响应最佳,可以检测到体积分数为1×10^-9的H₂S气体。此外,该传感器在一个月内表现出良好的稳定性。     

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^-1谱线吸收率检测限低至4×10^-7(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^-5(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^-6—9.6×10^-6)CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^-9(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.     

基于单一量子级联激光器的大气多组分气体（CO、N2O、H2O）同时测量方法

近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制光谱技术（WMS）和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8～2205.6 cm^-1,覆盖了CO、N₂O和H₂O的中心吸收谱线。实验测试结果表明：在1 s的时间分辨率下,CO、N₂O和H₂O的测量精度分别为1.83×10^-8,1.86×10^-9,1.19×10^-4;当满足最佳积分时间（100 s）时,系统的最低检测限可以达到1.8×10^-9（CO）,0.16×10^-9（N₂O）,1.5×10^-5（H₂O）。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体...     

高压环境下1.58μm波段CO2吸收光谱特性分析

高压气体吸收光谱特性的研究是可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于爆轰发动机等高压燃烧环境的重要基础.为了解气体吸收光谱随压力的变化规律特别是在高压下的吸收光谱特性,本文以CO₂为气体介质对其在高压环境下近红外波段1.58μm处的吸收光谱进行了理论分析与试验研究,并给出一种高压气体浓度的计算方法.在1—10.13×10⁵Pa压力环境下,对1.58μm处CO₂吸收光谱进行了数值模拟,搭建了高压环境气体在线测量试验系统,对CO₂在波段1578.1—1579.7 nm的吸收光谱进行了试验测量.利用线性回归拟合将试验所得光谱吸收率与模拟吸收率进行对比,对高压环境下气体浓度进行了计算.结果表明,试验所得吸收光谱与数值模拟结果相吻合,1—10.13×10⁵Pa压力环境下利用线性拟合寻优法计算气体浓度最大误差为5.5%,平均误差2.6%.     

ZBLAN玻璃中Pr3+掺杂离子3P0和1D2能级的发光特性和寿命

对ZBLAN氟锆酸盐玻璃中Pr³⁺掺杂离子³P₀和¹D₂能级的寿命和发光特性进行了较详细的光谱学研究。首先测量了两种掺杂浓度(质量分数分别为1×10^-3,5×10^-3)的Pr³⁺:ZBLAN玻璃的吸收光谱,然后运用时间分辨激光光谱技术测量了³P₀和¹D₂能级在激光单光子共振激发下的荧光发射谱和能级寿命。将不同荧光发射谱带的强度和文献报道的Judd Ofelt理论计算辐射跃迁几率数值做了比较分析,证明了文献中理论计算结果的可靠性。由于浓度猝灭效应,在相同的激发条件下,掺杂浓度为1×10^-3样品的荧光发射强度明显大于5×10^-3样品的荧光发射强度。但是从我们的测量结果看,掺杂浓度对³P₀和¹D₂ 的能级寿命值无显著影响。掺杂浓度为1×10^-3时,Pr³⁺离子³P₀和¹D₂能级的寿命值分别为46,322μ_s。     

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。     

圆柱定程干涉法声速测量系统的实验测试

研究了圆柱腔体共振频率的测量方法,测试了新建立的声速实验系统,结果显示圆柱共鸣腔具有较高的信噪比,共振频率的测量不确定度小于5×10^-6。采用Ar气（99.999%）标定了声速共鸣腔的有效长度,不确定度为1.8×10^-5。开展了303～333 K下CO₂的气相声速实验研究,实验结果表明,当实验工质具有较高的纯度（>99.995%）时,气相声速的测量精度优于0.01%。     

Gd3+/Y3+共掺对Nd:CaF2晶体光谱性能的影响

通过坩埚下降法生长了系列共掺Nd,Gd:CaF₂和Nd,Y:CaF₂晶体, 研究了Gd³⁺/Y³⁺共掺对Nd³⁺光谱性能以及Nd:CaF₂晶体晶胞参数的影响规律. 对于0.5 at.%Nd, x at.%Gd(x=2,5,8,10):CaF₂系列晶体, 当调控Gd³⁺掺杂浓度为2 at.%时, 具有最大的荧光寿命499 μs; 当Gd³⁺掺杂浓度为5 at.%时, 具有最大的吸收截面1.47×10^-20 cm², 最大的发射截面1.9×10^-20 cm²; 当Gd³⁺掺杂浓度为8 at.%时, 具有最佳的发射带宽29.03 nm. 对于0.6 at.%Nd, xat.%Y(x=2, 5, 8, 10):CaF₂系列晶体, Y³⁺掺杂浓度为5 at.%时, 有最大的吸收截面2.41×10^-20 cm², 最大的发射截面3.17×10^-20 cm²; 当Y³⁺掺杂浓度为10 at.%时, 具有最长的荧光寿命359.4 μs,并且具有最大发射带宽26 nm.     

CO＿2地质封存中重力对气水两相流动特性影响研究

CO₂地质封存技术是缓解温室气体排放的一种有效手段,亚岩心尺度CO₂-水在多孔介质内的流动实验对阐明CO₂地质封存中的残余捕集过程的封存潜力预测具有重要意义。本文利用高压微流控芯片在毛细管数为2.37×10^-5条件下进行了CO₂驱替纯水的实验,以研究重力对气水两相流动的影响。实时采集到了两相在非均质孔隙内的分布形态和流动特点,进一步的对CO₂饱和度进行了量化和评估了CO₂的封存容量,阐明了重力对CO₂残余捕集过程的影响。     

基于量子级联激光的大区域SF6泄露实时检测

采用量子级联激光器的可调谐半导体激光吸收光谱技术及可移动开放式光路系统在线检测泄露区域的SF_6气体.光路系统位于高压组合电器间隔周围,与传感系统通过非接触组合.中红外激光器的工作温度在10℃且注入电流为680 mA时发射频率范围可覆盖SF_6气体的选择波长.通过对大区域实验舱的内环境进行多次抽取分离,得到二次谐波吸收的精确背景吸收,利用10.55μm的可调谐激光传感系统对泄露扩散平衡后的SF_6气体进行测量,扣减背景吸收后得到泄露SF_6气体的二次谐波吸收光谱.研究结果表明:14.3 m的开放式光路下,气相色谱-热导率检测器溯源校准数据与可调谐半导体激光吸收光谱技术检测一致性良好,最大偏差为2.26%,二次谐波最大信号幅值与测量浓度具有较高拟合度,拟合系数为0.998,SF_6体积浓度的检测下限为1.8×10~(-6).该研究可为SF_6气体泄露提供一种全新的检测方法,从而实现高压组合电器大区域环境下SF_6气体实时在线监测.     

高功率激光激励下多晶波导薄膜的非线性光学效应

采用光波耦合器和被动锁模微微秒Nd:YAG激光束,在真空沉积的硫化锌波导薄膜中,实现了基波TE₃(ω)模式与二次谐波TE₃(2ω)模式之间的相位匹配。并同时观察到了三次谐波光谱。它们的光谱曲线的半高全宽分别为1.3?和1.4?。在基波入射功率为20MW的情况下,二次谐波的转换效率达1.8×10^-3。 关键词：