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‰。     

高灵敏度调谐式连续波腔衰荡光谱技术

建立了一套以分布反馈式(DFB)激光器为光源的高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统,该系统利用DFB激光器的电流调谐特点使激光在衰荡腔内谐振,利用其电流调制的特点实现入射光的关断,进行衰荡测量.对标准具效应消除前后的系统进行了测试,结果表明,前后系统等噪声探测灵敏度分别为2.56×10-7cm"和1.27×10-8 cm-1.以衰荡腔的纵模间隔为扫描步长对6591.43 cm-1处N2O的氮气加宽线宽系数进行了测量,测量结果分别为0.0819 cm-1和0.0808 cm-1,对测量结果与HITRAN2004数据库中参数间的差别进行了讨论.     

腔衰荡光谱技术中衰荡时间的准确快速提取

对NO₃腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)探测系统中衰荡时间的准确提取方法进行了研究。对衰荡时间有效快速的提取可以提高CRDS测量的精度和速度。选取了五种常用的提取衰荡时间的拟合方法,分别为快速傅里叶变换法、离散傅里叶变换法、线性回归总和法、列文伯格-马夸尔特算法和最小二乘法。采用以上五种算法对带有不同大小白噪声的模拟衰荡信号进行拟合,并从受噪声影响情况、拟合准确性和精度、拟合速率,三个方面对五种算法的拟合结果进行对比和分析,结果表明列文伯格-马夸尔特算法和线性回归总和法准确度高、抗噪能力强,但列文伯格-马夸尔特算法拟合速率相对较慢。选取衰荡时间的5～10倍为衰荡信号的最佳拟合波形长度,此时五种算法拟合结果的标准偏差最小。采用外部调制二极管激光器及高反腔搭建CRDS探测系统,针对0.2%噪声的实验条件,选取线性回归总和法和列文伯格-马夸尔特算法对实际测量的实验数据进行处理。实验表明,线性回归总和法拟合准确度和精度与列文伯格-马夸尔特算法相似,但拟合速率比列文伯格-马夸尔特算法快约5倍。实验结果与模拟分析相吻合,表明线性回归总和法为适合我们实验条件的最佳拟合方法。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景.     

光外差腔衰荡光谱理论研究

提出了简化的光外差腔衰荡光谱技术，避免了通常腔衰荡光谱对衰荡时间的直接测量，同时消除了腔镜损耗的共模直流信号的测量.理论上其测量灵敏度可以达到量子噪声极限，而且技术实现相对简单，更适合于分子振转光谱研究.此外，还在理论上分析了该光谱技术具有的Gauss线型的一次微分光谱线型的特点，并讨论了一些实验参量对谱线强度和线型的影响，进而给出了最佳实验参量. 关键词： 光外差 腔衰荡光谱     

光反馈腔衰荡光谱技术中的数据处理

在光反馈式腔衰荡光谱技术中,光谱数据的处理因一种特殊的光谱纹波现象而变得困难。以6 590.8~6 591.6 cm-1光谱范围内水汽分子的光反馈式腔衰荡光谱为基础,根据光谱纹波效应的特性分析结果,提出了一种简单的数据处理方法。利用该方法确定了6 590.871 cm-1处水汽分子吸收谱线的线宽约为0.100 3 cm-1,这与Hitran数据库提供的线宽结果仅有0.002 cm-1的误差,充分验证了该方法的有效性。     

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。     

强流离子源光腔衰荡光谱应用研究

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件,为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求,负离子源成为中性束注入系统的首选。光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。在强流负离子源中,利用氢负离子的光致剥离过程,CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比,CRDS具有不受电磁干扰、不依赖等离子体参数、测量精度高等优点。强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、光学谐振腔、光电探测器和数据采集系统四部分组成。本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理,详细推导了氢负离子密度的计算方法,给出了氢负离子密度测算表达式;然后,结合强流离子源实验室应用的具体情况,分析了各部分装置的选择原则与注意事项;最后,介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、日本国立聚变科学研究所、意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。实验结果表明,源腔气压、源功率等源参数会影响氢负离子密度;铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级;同时,日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。     

高灵敏腔衰荡光谱技术及其应用研究

光腔衰荡光谱(CRDS)技术具有精度高、灵敏度高、线性动态范围大的优势,被广泛应用于环境大气碳和水循环监测、人体呼气监测、深海/海洋溶解气体监测等领域.本文简要介绍了 CRDS的基本原理及其发展历程,梳理了近年来国内外研究机构在痕量气体及同位素探测上的应用研究进展,重点介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所在环境大气温...     

High-sensitivity methane monitoring based on quasi-fundamental mode matched continuous-wave cavity ring-down spectroscopy

Continuous-wave cavity ring-down spectroscopy (CW-CRDS) is an important technical means to monitor greenhouse gases in atmospheric environment. In this paper, a CW-CRDS system is built to meet the needs of atmospheric methane monitoring. The problem of mode matching is explained from the perspective of transverse mode and longitudinal mode, and the influence of laser injection efficiency on measurement precision is further analyzed. The results of cavity ring-down time measurement show that the measurement precision is higher when the laser is coupled with the fundamental mode. In the experiment, DFB laser is used to calibrate the system with standard methane concentration, and the measurement residual is less than ±4×10^-4 μs^-1. The methane concentration in the air is monitored in real time for two days. The results show the consistency of the concentration changes over the two days, which further demonstrates the reliability of the system for the measurement of trace methane. By analyzing the influence of mode matching, it not only assists the adjustment of the optical path, but also further improves the sensitivity of the system measurement.     

用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

根据光腔衰荡光谱技术原理,建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜,反射率测试结果为（99.925±0.001）%;以22.5°将直腔变为折叠腔,测得的反射率为（99.992±0.003）％。重复测定反射镜样品的反射率,精度达到10－5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置,对腔镜的测试结果影响不大。     

高灵敏度光谱测量技术:腔振铃吸收光谱

腔振铃激光吸收光谱技术是近年快速发展的一项新颖的光谱技术,它不仅检测灵敏度高,而且结构简单,不需要高昂的光谱设备,特别适合于测量弱吸收物质,包括气体、固体、液体等稳态粒子和金属化合物、自由基、团簇等瞬态粒子.本文在介绍其基本原理的基础上,介绍了使用脉冲激光与连续激光光源的2种技术方案.     

光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的测量及其特性分析（英）

为研究光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的产生机理,基于所建立的腔长为49.1 cm的V型微晶玻璃衰荡腔在不同环境、不同光谱范围所测得的腔损耗谱,利用数据处理方法详细分析并讨论纹波效应的周期和振幅等典型特征。分析认为,纹波效应呈现出明显的部分干涉特点,光谱纹波的周期和振幅特性分别受折叠腔结构和折叠腔镜表面污染状态影响,而与光谱扫描区域关系不明显;这表明纹波效应主要来源于折叠腔镜表面散射场的部分干涉效应。     

用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

 根据光腔衰荡光谱技术原理,建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜,反射率测试结果为（99.925±0.001）%;以22.5°将直腔变为折叠腔,测得的反射率为（99.992±0.003）％。重复测定反射镜样品的反射率,精度达到10^－5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置,对腔镜的测试结果影响不大。     

衰荡腔测量中的腔参数选择

基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高。     

The effect of collisions with nitrogen on absorption by oxygen in the A-band using cavity ring-down spectroscopy.

This paper reports on the effect of collisions between nitrogen and oxygen on absorption in the A-band near 760?nm under atmospheric conditions relevant for satellite retrieval studies. We use pulsed laser cavity ring-down spectroscopy with a narrow bandwidth laser and use pressure scans to increase the accuracy of the measured oxygen extinction coefficients. We use the so-called Adjustable Branch Coupling model to describe line mixing in the magnetic allowed A-band dipole absorption and we retrieve the collision induced absorption spectrum due to N₂–O₂ collisions.     

衰荡腔测量中的腔参数选择

 基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高。