可调谐激光吸收光谱应用于气体二维浓度分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路,交叉穿过目标区域,得到24组直接吸收信号(DA),并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台,利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源,选取HITRAN数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证,并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。     

利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究

针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究,计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术原理为基础,利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块,模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示,在模拟柴油机排放环境下,待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验,在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统,利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源,开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究,测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知,本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小,因此,其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。     

可调谐激光吸收光谱法与气相色谱法监测甲烷的对比研究

甲烷是一种重要的温室气体,它对大气中温室效应的贡献仅次于二氧化碳.针对环境空气中甲烷的测定,从测量原理、测量过程和测量装置等方面比较了可调谐二极管激光吸收光谱和气相色谱法两种测量方法.结果表明用上述两种方法测得的甲烷的日变化趋势具有良好的一致性.相比较而言,后者造价更低,并且更方便.     

A three‐crystal spectrometer for high‐energy resolution fluorescence‐detected X‐ray absorption spectroscopy and X‐ray emission spectroscopy at SSRF

A Johann‐type spectrometer for the study of high‐energy resolution fluorescence‐detected X‐ray absorption spectroscopy, X‐ray emission spectroscopy and resonant inelastic X‐ray scattering has been developed at BL14W1 X‐ray absorption fine structure spectroscopy beamline of Shanghai Synchrotron Radiation Facility. The spectrometer consists of three crystal analyzers mounted on a vertical motion stage. The instrument is scanned vertically and covers the Bragg angle range of 71.5–88°. The energy resolution of the spectrometer ranges from sub‐eV to a few eV. The spectrometer has a solid angle of about 1.87 × 0^?3 of 4π sr, and the overall photons acquired by the detector could be 10⁵ counts per second for the standard sample. The performances of the spectrometer are illustrated by the three experiments that are difficult to perform with the conventional absorption or emission spectroscopy. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境下气体温度,探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景,在模拟热真空实验过程中,首先将真空气室浸没于恒温槽中,然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度,同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度,试验结果表明:TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性,两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过±0.2℃。     

Development of picosecond time‐resolved X‐ray absorption spectroscopy by high‐repetition‐rate laser pump/X‐ray probe at Beijing Synchrotron Radiation Facility

A new setup and commissioning of transient X‐ray absorption spectroscopy are described, based on the high‐repetition‐rate laser pump/X‐ray probe method, at the 1W2B wiggler beamline at the Beijing Synchrotron Radiation Facility. A high‐repetition‐rate and high‐power laser is incorporated into the setup with in‐house‐built avalanche photodiodes as detectors. A simple acquisition scheme was applied to obtain laser‐on and laser‐off signals simultaneously. The capability of picosecond transient X‐ray absorption spectroscopy measurement was demonstrated for a photo‐induced spin‐crossover iron complex in 6 mM solution with 155 kHz repetition rate.     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起解调的二次谐波信号发生变化,最终导致浓度测量的较大误差. 为了修正温度变化对浓度反演结果的影响,适应工业测量、燃烧诊断的需要,采用通过实验所得温度关系的数值拟合修正方法即经验公式修正和根据HITRAN数据库参数的理论关系即理论公式修正两种方法进行分析与讨论. 实验中采用在50 cm长的高温管式炉中通入高温安全的21%浓度的 氧气为目标测定气体,选定760.77 nm的中心吸收波长,测量了温度变化范围为300–900 K,间隔50 K的情况下所得到的谐波信号,并利用一次谐波比值消元法消除光强波动影响后的结果,得出了不同温度下未修正的原始浓度值和通过修正方法后的修正值. 实验结果表明所述的经验公式和理论公式两种修正方法对温度影响都有一定的抑制作用,可以应用到温度变化引起的气体浓度误差修正监测中,为下一步开展燃烧诊断实时在线监测提供了依据. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 温度修正 经验公式 理论公式     

等离子体X射线吸收谱及发射谱研究

 报道计算高温高密等离子体吸收谱和发射谱（光学薄）的理论方法；该方法基于相对论原子理论，可以计算任何单元素以及多元素等离子体的谱分辨X射线吸收谱和发射谱（光学薄）；应用了量子亏损理论，可以减少计算量。利用该方法计算金等离子体LTE吸收谱，计算结果与实验符合良好。本文还对金等离子体LTE的光学薄发射谱进行了研究, 这将有利于对实验进行进一步的诊断分析。该理论计算方法还可提供等离子体内各电离度能级布居等重要物理参数。因此经“标准实验”检验的该理论计算方法将是提供ICF“精密”物理辐射参数的重要基础。     

等离子体X射线吸收谱及发射谱研究

报道计算高温高密等离子体吸收谱和发射谱（光学薄）的理论方法;该方法基于相对论原子理论,可以计算任何单元素以及多元素等离子体的谱分辨X射线吸收谱和发射谱（光学薄）;应用了量子亏损理论,可以减少计算量。利用该方法计算金等离子体LTE吸收谱,计算结果与实验符合良好。本文还对金等离子体LTE的光学薄发射谱进行了研究, 这将有利于对实验进行进一步的诊断分析。该理论计算方法还可提供等离子体内各电离度能级布居等重要物理参数。因此经“标准实验”检验的该理论计算方法将是提供ICF“精密”物理辐射参数的重要基础。     

Biological X‐ray absorption spectroscopy and metalloproteomics

In the past seven years the size of the known protein sequence universe has been rapidly expanding. At present, more then five million entries are included in the UniProtKB/TrEMBL protein database. In this context, a retrospective evaluation of recent X‐ray absorption studies is undertaken to assess its potential role in metalloproteomics. Metalloproteomics is the structural and functional characterization of metal‐binding proteins. This is a new area of active research which has particular relevance to biology and for which X‐ray absorption spectroscopy is ideally suited. In the last three years, biological X‐ray absorption spectroscopy (BioXAS) has been included among the techniques used in post‐genomics initiatives for metalloprotein characterization. The emphasis of this review is on the progress in BioXAS that has emerged from recent meetings in 2007–2008. Developments required to enable BioXAS studies to better contribute to metalloproteomics throughput are also discussed. Overall, this paper suggests that X‐ray absorption spectroscopy could have a higher impact on metalloproteomics, contributing significantly to the understanding of metal site structures and of reaction mechanisms for metalloproteins.     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.     

基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．     

A reaction cell with sample laser heating for in situ soft X‐ray absorption spectroscopy studies under environmental conditions

A miniature (1 ml volume) reaction cell with transparent X‐ray windows and laser heating of the sample has been designed to conduct X‐ray absorption spectroscopy studies of materials in the presence of gases at atmospheric pressures. Heating by laser solves the problems associated with the presence of reactive gases interacting with hot filaments used in resistive heating methods. It also facilitates collection of a small total electron yield signal by eliminating interference with heating current leakage and ground loops. The excellent operation of the cell is demonstrated with examples of CO and H₂ Fischer–Tropsch reactions on Co nanoparticles.     

基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法

针对高压环境吸收谱线加宽以及波分复用技术合波透射信号分析测试难题,提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解.建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系,解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用过程合波后光谱信号的分离与诊断.通过仿真验证该方法的可行性,分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响.搭建实验台实现了1—10 atm变压力环境下6330—6337 cm~(-1)波段CO_2吸收光谱叠加信号的诊断分析,对气液两相脉冲爆轰过程中7185.6 cm~(-1)与7444.35 cm~(-1)波段波分复用光谱信号进行测试与拟合,无需分光设备实现了耦合光路分离和温度计算,研究结果对激光吸收光谱技术在高压环境以及燃烧环境下波分复用技术的发展具有重要意义.     

Analysis of engine motor oils by X‐ray absorption and X‐ray fluorescence spectroscopies

The molecular structure of lubricating motor oils is investigated by X‐ray absorption fine structure spectroscopy measurements. Both fresh and used oils are studied. Although the Zn K‐edge spectra gave information about the degradation of the antiwear/antioxidant zinc dialkyl dithiophosphate (ZDDP) additives within the oil, Fe K‐edge spectra are representatives for iron species dispersed in the oil during operation at elevated temperatures and pressures in the engine. The detailed analysis of the measured data shows that substantial differences are detectable in the spectra of the fresh and used oil. Our results show that the Zn–S bonds of the ZDDP are decomposed during the operation, resulting in Zn–O bonds instead. Furthermore, sixfold Fe–O bonds similar to those in Fe₂O₃ are found within the used oil, suggesting the presence of debris from the antiwear film of lubricated motor parts in the used oil. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量

含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因,大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、高灵敏度以及快速响应等特点,是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对1.573μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量,结合激光分束技术,实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5mg·(m2·s)-1范围内的波动,突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量

可调谐二极管激光吸收光谱法是在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起 来的一种新的痕量气体检测方法.这种方法不仅精度较高、选择性强而且响应速度快.介绍了 一套可调谐二极管激光吸收光谱检测甲烷浓度的实验装置.这套装置具有灵敏度高、检测限 低（低于0087mg/m3³）、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点，利用 这套装置实现了对环境空气中甲烷含量的检测. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 多次回归 多次反射池     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱