可调谐半导体激光吸收光谱技术光信号相关法氨气浓度流速同时测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合光信号相关技术可以实现气体浓度和流速的同时在线测量。文章首先介绍了气体浓度与流速测量的基本原理,然后对在近红外通讯波段附近的NH₃吸收谱线进行分析,并从中选取适合测量的目标谱线,并进行了相应的计算分析。在常温常压下内径为0.016 m长度为1 m的管道内,利用流量计配制出不同浓度以及不同流速的NH₃和N₂混合气体进行相关的试验。利用线宽为15 MHz,可连续调谐范围为1 cm-1的激光二极管对位于6 548.7 cm-1处的NH₃吸收谱线进行快速扫描,采用直接吸收计算的方法测量得到实时气体吸收信号并计算出气体浓度。同时利用非介入式的光信号相关法,通过布置在管道上下游两个探测器探测到的NH₃浓度信号间的相关性,计算得到NH₃气体从上游到下游的渡越时间,进而计算出气体流速。计算得到的NH₃气体浓度值和流速值与流量计标定值之间相比,其相对误差分别在7%和10%之内。测量系统响应迅速,抗干扰能力强,测量结果重复性好,适用于恶劣的现场测量环境,具有很广的工业应用前景。     

可调谐二极管激光吸收光谱氧气测量中的导数光谱处理与浓度反演算法研究

氧气是发动机燃烧过程的必需成分,在飞行器进气道进行氧气监测需求迫切。针对飞行器上的工程要求和应用特点,设计了一种波长线性扫描可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)短光程系统结合有限冲击响应(FIR)滤波二阶导数谱算法的方案完成了氧气吸收微弱信号的提取和浓度反演。根据TDLAS工作原理和吸收信号特征,对二阶导数谱用于气体浓度反演的理论依据进行了推导,在此基础上提出一种基于FIR的数字滤波方案来完成吸收信号的噪声滤除和二阶导数谱的提取。实验结果证明,该方案简单易行,提高了检测信噪比,降低了检测限,浓度反演结果准确、线性良好。     

甲醛浓度的激光拉曼光谱检测研究

为了对甲醛的浓度进行快速、准确的测定,研究了甲醛的激光拉曼光谱激发机理,并对采集的标本进行了检测,并对结果进行了分析和论证。该方法不需辅助试剂,直接测量甲醛分子振动产生的拉曼光谱,根据甲醛特征谱的峰值,确定甲醛的浓度。得到一种低成本、快捷的甲醛浓度检测方法。     

激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

基于遗传算法对氨气检测中温度补偿的研究

氨气是大气中常见的污染气体之一,其浓度检测结果易受到环境温度的影响,为准确检测氨气浓度,必须对温度的影响进行修正。该文将遗传算法与差分吸收光谱技术相结合,对氨气检测过程中温度的影响进行研究。基于紫外差分吸收光谱技术,搭建了296 K～328 K温度下的氨气检测系统,采用遗传算法对氨气检测结果进行温度补偿。结果表明,通过实验获得的温度补偿模型可有效消除温度对氨气检测的非线性影响,从而提高检测精度。在328 K温度下,44×10?6氨气检测结果的误差降低了26.97%,随着温度变化,线性相关系数均在0.998 16以上;6×10?6氨气在温度补偿前后系统的检测限分别为0.198×10?6和0.278×10?6。     

差分浓度调制激光光谱技术

报道了在近红外波段的差分浓度调制激光光谱技术的研究工作,以N2^ 的浓度调制光谱为例,研究了浓度调制制激光光谱技术的特性。将浓度调制光谱与速度调制光谱相结合得到了速度调制光谱调制度与各因素的关系。同时展示的Ar激光发态的差分浓度调制光谱表明,差分浓度调制光谱技术在探测中性自由基分子和分子离子方面具有很大的应用潜力。     

开放光程TDLAS系统对北京城区NH3浓度的连续检测

氨气是大气酸性成分的主要中和剂,是影响区域空气质量、大气能见度以及酸性沉降的重要因素。研制了基于开放光程近红外可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术的大气NH3浓度连续监测系统,并对北京城区大气NH3浓度进行了两个星期的连续检测。检测结果表明,北京城区大气具有较高的NH3浓度,且具有明显的日变化周期特征,基本特点是白天浓度低,夜晚浓度高且变化相对平缓。相关性研究表明,非农业排放源,特别是城市交通的机动车尾气排放是北京城区大气NH3的主要来源。     

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...     

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H₂O和CO₂等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25 μm附近的ν₂+ν₃谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH₃的测量能力,实验对H₂O,CO₂和NH₃的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH₃受较大浓度的H₂O和CO₂谱线的干扰较小,尤其是CO₂谱线的干扰可以忽略不计,且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH₃的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。     

基于页岩气返排液中甲烷浓度及排放速率的红外光谱反演研究

随着页岩气的开发,传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题,利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统,对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m,红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。对测量所得的红外光谱进行多次平均,提高光谱质量并进行反演计算。从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面,考虑环境与仪器等影响,对测量温度进行修正,选取合适的吸收波段,与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加,合成标准光谱。使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合,从而反演出甲烷浓度。并根据返排液排放速率,结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度,对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。结果表明：不同开采工况下,光谱反演浓度呈明显起伏变化。更换三项分离器时,甲烷浓度有明显上升;在点燃火炬时,甲烷浓度持续低值;其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。改变测量光谱平均次数,对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。在单位小时内,甲烷浓度在100～800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化;甲烷的排放速率在50～300 m3·h-1内波动。对返排液进行80小时连续测量,甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1,其最大排放速率达到535.1 m3·h-1;最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。反演数据结果说明：在页岩气开发过程中,其返排液为一个无组织甲烷排放源,且排放速率在短时间内变化十分明显。红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性,相关系数为0.743 6。相对于传统手持式甲烷测量仪器,红外光谱反演法具有响应速度更快,非接触远距离,实时在线测量等优势。     

Accurate equilibrium inversion barrier of ammonia by extrapolation to the one-electron basis set limit

A scheme based on treating uniform singlet-pair and triplet-pair interactions is suggested to extrapolate electron correlation energy of ammonia, calculated at two basis-set levels of ab initio theory in the infinite one-electron basis-set limit. The dual-level method is tested on the extrapolation of the full correlation in coupled-cluster singles and doubles and in the case also a noniterative perturbative correction for connected triple energies for the C3v and D3h structures of ammonia, with correlation-consistent basis sets of the type cc-pVXZ （X = D, T, Q, 5, 6） and aug-cc-pVXZ （X = D, T, Q, 5）. For testing and comparison purposes, the energies reported by Klopper [J. Comput. Chem. 22 1306 （2001）] have been taken. From a corresponding extrapolation of CCSD（T）/AVXZ energies for X = 4, 5, we obtain total inversion barriers of 1833.87 cm-1/1832.33 cm^-1 for the two/three-parameter extrapolation rules, which are in good agreement with other theoretical extrapolation and empirical values in the literature.     

200mJ光泵浦氨气太赫兹激光器北大核心CSCD

利用光栅选支调谐的TEA CO2激光器作为泵浦源设计了高能量脉冲光泵浦太赫兹激光器。太赫兹激光谐振腔由2m长的石英玻璃管、GaAs泵浦光输入窗和SiO2太赫兹光输出窗组成,氨气充入谐振腔内作为增益介质。太赫兹激光的波长由自主设计的金属线栅F-P干涉仪测量。实验中在多个波长处都获得了强烈的太赫兹光输出,其中151.5μm太赫兹光的输出脉冲能量高达204mJ,对应的泵浦光能量为32J。最后,还给出了利用151.5μm太赫兹光进行透视成像的实验结果。     

一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法

本文研究并建立了一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法.首先给出激光辐照薄膜产生温升问题的热传导理论模型,并利用拉普拉斯变换得到了膜层和基底温度场的解析解;然后以膜层和基底的导热系数为反演参数,基于非线性共轭梯度算法给出反演基本原理及流程,并推导得到了反演过程中灵敏度系数的解析表达式;以aluminum,silver,copper和gold四种金属薄膜为例,通过与有限元法的计算结果对比验证了温度场解析解的正确性;最后结合四种金属薄膜进行了参数反演,通过考察分析不同随机噪声等条件下的参数反演结果,验证了本文方法在薄膜参数反演精度与反演效率等方面的有效性.反演结果显示:本文方法具有较高的反演精度和效率,在迭代截止误差为10~(-7)时只需用少于20次迭代就能收敛;在测量数据中加入的随机噪声越小,反演的迭代收敛次数就越少,即使是在迭代初值与反演结果相差较大时,用包含5%随机噪声的测量数据反演也能快速收敛.本文提出的薄膜参数反演方法不仅适用于反演导热系数,也可扩展用于反演膜层反射系数或吸收率等参数,具有一定的适用性.本文方法对于激光加工或激光损伤过程中的参数反演及优化具有一定的指导意义.     

气体浓度激光光谱检测温度影响修正研究

基于激光吸收光谱技术的气体检测手段具有非接触,分辨率高,灵敏度高等优势,然而激光在线检测气体过程易受温度变化导致其浓度测量偏差增大。以氨气为研究对象,探究了温度对氨气吸收谱线线强的影响规律及影响机制,搭建了非常温条件（298 K至323 K）氨气激光检测实验平台,提出了气体吸光度-温度关联式法对浓度反演结果进行修正处理。结果表明:浓度一定时,总配分函数比值rQ是氨气分析吸收线强随温度升高过程中的主导控制因素,总配分函数比值与温度的负相关关系造成氨气光谱吸光度随温度升高而降低;修正前浓度反演值随着温度升高而降低,温度达到323 K时,浓度反演值为3.13%,与标准浓度值相比其误差高达37.4%,经过修正后的浓度反演值与标准浓度值的相对误差在0.2%～1.4%范围内。     

激光引信探测技术研究

分析了激光引信探测技术发展状况及工作原理。针对目前在研的激光引信探测的关键问题,即激光引信的前倾探测和伪随机码探测技术进行了分析。得出两个结论:激光引信对目标的45°前倾探测获得了一定的探测提前量,更有利于识别目标,也可以获得最佳起爆参数;伪随机码体制激光引信探测技术在保密性和抗有源干扰性能等方面比普通脉冲体制激光引信都有本质的提高。     

剩余反射在激光主动探测中的适用条件分析

阐述用激光主动探测的原理及实验技术。以红外光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对光学系统中各镜片的回波强度、分布及影响因素作定性、定量分析,并用实验加以验证。研究结果表明,回波强度受探测距离、扫描激光光束的入射角等因素影响非常大。例如,在主动扫描装置与被探测观瞄仪器相距约1000m、扫描光束的入射角从0rad增大到0.18rad时,光学系统的前两块透镜表面所产生回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的28.4%下降到0%。     

用激光散斑法测盐水溶液浓度的改进

在利用激光散斑法测盐水溶液浓度时,光束透过溶液时会产生不同的纵向位移,但散斑计量对纵向位移不敏感.因此重新设计光路将纵向位移转化为横向位移,实现了溶液浓度的精确测量.     

双波长外腔半导体激光器的研究

提出了电流调制型的双波长外腔半导体激光器方案。外腔半导体激光器具有窄线宽输出以及独特的阶越型电流调制特性,采用正弦调制的方式,以延时光纤作为辅助结构,得到了具有良好相干特性和稳定波长间隔的双波长激光输出。与多种已有的双波长激光器设计方案相比,这种多波长工作方式结构简单,调谐范围宽,在波分复用光通信系统、高精度光纤传感测量以及外差、双(多)波长合成波长干涉测量等技术中具有很好的应用前景。     

Effects of powder concentration distribution on fabrication of thin-wall parts in coaxial laser cladding

In this paper, model of effects of powder concentration distribution on fabrication of thin-wall parts in coaxial laser cladding was developed. There exists relationship between powder concentration distribution and power density distribution, which affects fabrication of thin-wall parts in coaxial laser cladding. Changes in powder concentration distribution lead to changes in wall thickness and wall growing rate. Fluctuation of powder feed rate deteriorates the growing wall in laser cladding. Deviation of the powder flow stream makes the powder concentration distribution, the thermal flux density and consequently the molten pool not symmetrical against the x-axis, resulting in irregular upper faces of the formed wall. This was verified by the results of experiment.