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     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

连续和准连续激光调制谱分析技术的比对研究

为了在面对不同检测需求时,能够选取适合的调谐激光吸收光谱技术方案,对直接吸收光谱、连续调制谱和准连续调制谱三种方法进行了理论分析和实验比较。在相同实验条件下,通过同一激光器测量不同浓度CO2气体,比较了这三种方法的技术特点、信号特征、检测灵敏度。结果表明,准连续调制谱技术具有与连续调制谱相当的检测灵敏度,但是受激光能量间断和较大的寄生幅度调制影响,检测信号相对于气体吸收谱的线形失真较大,因此不太适合依赖光谱线形和线宽的压力、流速测量。为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了参考依据。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱气体检测仪的数据采集与实验分析

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,它利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其它气体的干扰实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。讨论在工业环境下气体检测系统中数据采集与信号处理方法,分析了实验结果。在工业数据采集和处理系统中如何提高实时性和通用性,是设计者首要解决的问题。在VC++环境下,多线程技术和面向对象方法,实现了实时数据采集,不存在采集丢点问题,成功地实现了数据的准确完整性与实时性,并且在新的数字信号处理中提高了系统的测量精度、重复性和稳定性,满足了工业气体在线检测的需要。     

基于气体吸收理论的激光光谱气体在线监测技术研究

气体对激光能量的吸收是一种比较普遍的吸收现象,本文利用可调谐半导体激光吸收光谱技术,依据大学物理光学部分的比尔-朗伯尔定律为依据,通过气体吸收实验验证了气体的基本吸收理论,获得了760.77nm吸收波长处不同氧气浓度情况下的基本吸收谱线幅值,得出了气体浓度越高,对光的吸收也越强的结论.并进一步对实验数据进行曲线拟合,使学生深入理解曲线拟合方法在气体浓度监测方面的应用.通过本实验可以增加学生的视野和对新技术的了解,以及对气体吸收理论的进一步理解.     

低频波长调制光谱的理论与实验研究

通过调制半导体激光外腔压电陶瓷的电压实现低频波长调制 ,并慢扫描激光器的波长 ,测量了CS 原子D2线 [6S1 2 (F =4)→ 6P3 2 ]的吸收光谱 ,利用锁相放大器处理了二次、四次、六次谐波信号 ,实验结果与理论分析相吻合 ,在实验过程中还发现高次谐波探测可以有效地提高探测信号的信噪比     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO₂谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO₂浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5 atm压力、500 K温度下和10 atm压力、1 000 K温度下对于CO₂浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO₂直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

Calibration-free wavelength modulation spectroscopy for gas concentration measurements under low-absorbance conditions

<正>We derive the expressions of the first and second harmonic signals on the basis of absorption spectral and lock-in theories,and determine the gas concentration according to the ratio of second and first harmonic signals.It is found that the X and Y components of the harmonic signals are influenced by the phase shift between the detection and reference signal,and the phase shift can be any value in a range from 0 to 2π,which is different from the results obtained previously.Meanwhile,an additional item caused by the residual amplitude modulation will make a great contribution to the second harmonic signal,and may not be neglected under low absorbance conditions.Theoretical analysis indicates that subtracting back-ground signal from the second harmonic signal can remove the influence of this item,and can improve the measurement accuracy of gas concentration.On this basis,we select the transition of CO₂ at 6527.64 cm^-1 to analyse the approximation errors during the derivation by numerical simulation and then measure the CO₂ concentration under low absorbance conditions,with absorbance varying from l%o to 6‰.     

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℃。     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

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     

信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度. 研究结果表明：采用信号处理（DSP）可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级,且测量CO₂分子的时候发现一条新谱线. 这些信号处理包括多次平均、数字低通滤波以及最小二乘法拟合. 由于该方法不需要增加设备的复杂性，所以比其他噪声抑制技术更容易在实验中实施、有更实际的应用价值. 关键词： 波长调制 信号处理 半导体激光器 吸收光谱     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

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。     

相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用

研究了相敏式激光啁啾色散光谱法在高吸收度情况下的应用.用窄频半导体激光器作为光源,利用一工作于载波抑制模式的铌酸锂电光强度调制器调制单频激光,在单频激光两侧产生两个边频分量,并通过两边频分量产生外差干涉信号.利用外差干涉的相位波动来测量甲烷气体位于1653.7 nm附近的折射率波动,通过气体折射率与吸收系数之间的Kramers-Kronig关系计算甲烷气体浓度.传统的波长调制光谱法受限于郎伯-比尔定律,在应用于高吸收度的情况时,存在灵敏度下降的问题,甚至出现随气体浓度上升输出信号反而下降的现象.实验结果显示,相同实验条件下,波长调制光谱法的线性测量范围为38.1—1500 ppm·m,线性测量的动态范围仅为16 d B;而相敏式激光啁啾色散光谱法在很大的吸收度范围内均具有线性输出,检出限低至47.3 ppm·m,线性测量范围上限为174825 ppm·m,具有超过35 d B的动态范围.