用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室设计与研究

在采用光腔衰荡技术实现痕量气体浓度测量时,设计了用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室。通过对双探测器的比较及对数线性化,利用所设计的系统及其气室对气体浓度在线测量并进行了实验分析。得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律与特性,实现了测量分辨力为10^-9的测量结果。     

基于光纤环形腔衰荡光谱的偏振测量

针对传统偏振测量较难同时实现高灵敏度和较好稳定性的问题,提出了一种采用光纤环形腔衰荡光谱技术进行偏振测量的方法,并进行了实验证明.对比分析了掺铒光纤放大器放置在环形腔的内部和外部对脉冲曲线和脉冲数量的影响.在掺铒光纤放大器中使用长度为2m的低增益和低噪声掺铒光纤来减少波形失真并补偿环形腔的内部衰减.利用光纤环形腔衰荡光谱系统对偏振角进行测量,通过记录分析环形腔中光脉冲的衰减时间得到偏振角的变化.结果表明:偏振角和衰减时间在0°~90°的范围内满足良好的线性关系,光纤环形腔衰荡光谱系统的灵敏度和拟合曲线的相关系数分别为4.05μs/°和0.999 6,最大灵敏度误差为0.027 3μs/°.通过10次重复实验,选取六组数据进行拟合得到系统的平均再现性误差为0.030 8,重复性良好,可用于旋光溶液测量,也为光纤径向应力双折射特性和光纤激光器的偏振态测量提供了参考.     

基于腔衰荡技术的光纤双环路一氧化碳浓度监测系统研究

对光纤环形腔技术的传感原理进行了理论推导,并设计了一种双环路一氧化碳浓度测量系统.分析了掺铒光纤放大器在系统中的作用及其增益波动对系统的影响,通过对掺铒光纤放大器的增益进行反馈控制,进一步了提高了测量系统的稳定性和精确性.通过实验,得出了不同浓度的一氧化碳所对应的衰荡曲线.分析了不同浓度的气体对光的吸收特性及衰荡时间与浓度的关系,为实现气体浓度的高准确度在线测量提供了重要的依据.     

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     

光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术测量腔镜高反射率的对比研究(英文)

基于半导体激光器的光反馈效应,提出了光反馈光腔衰荡技术用于测量腔镜的高反射率。相对于没有光反馈的情况,光腔衰荡信号振幅提高了两个数量级,从而大大提高了高反射率测量精度。在四个衰荡腔长采用光反馈光腔衰荡技术测量得到的腔镜反射率非常一致,统计平均值为99.9356±0.0008%。通过实验比较了光反馈光腔衰荡和脉冲光腔衰荡技术。结果表明,光反馈光腔衰荡技术的测量精度比脉冲光腔衰荡技术高。     

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。     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

压强是工业生产过程中的一个重要参数,其准确测量是过程控制的关键。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等因素,利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应,可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息,实现压力计校准。提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。采用5.2 μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。室温下,测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线,线宽为0.084 21 cm-1,重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1,对应的压强大小为98.12 kPa,检测灵敏度优于0.18 kPa,与高精度压力计读数98.14 kPa一致。利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1,与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。实验校准了一小量程压力计。结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。     

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。     

基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统

利用菲涅尔反射定律提出了一种测量液体浓度的新方法。整个实验装置结构简单,主要由一个激光光源、三个光耦合器、两个光电探测器组成。光源所发出的光经过三个光耦合器后传输至光纤-液体表面发生反射,反射回的光由两个光电探测器接收。在测量过程中引入参考光路,利用相对技术,使得被测液体的浓度值仅由相对接收光强R决定,从而很好地解决了光源稳定性、环境干扰等测量难题。实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对象,实验结果与理论分析十分吻合。整个实验装置结构简单,测量精度高,易于操作,测量稳定性能够达到99%以上。     

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。     

All-optical method of developing a phase encoded latch by using EDFA

Optics has already proved its meaningful application in information processing and computation, where the parallelism of light is exploited to achieve the desired result. In this communication a novel concept of all-optical memory unit based on phase encoding process is proposed. The unit is simple in architecture comprising phase sifters, mirrors (M′) and two blocks of Erbium doped fiber amplifier. The optical feedback is supported by use of beam splitters and mirrors. It is independent of intensity and therefore requires a small switching power and can work at a bit rate far above 100 Gb/s.     

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

 只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响，推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系，模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明：对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器，为了保证10^-6的测量精度，腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器，可以提高测量精度。     

两段级联掺铒光纤放大器的优化研究

基于Giles模型,研究了980 nm和1480 nm泵浦的两段级联掺铒光纤放大器(EDFA)的设计,得出了掺铒光纤(EDF)的最佳长度和光隔离器的最佳位置随泵浦功率和信号功率的变化关系.比较980 nm和1480 nm泵浦的两段级联EDFA,可以发现,前者的最佳EDF长度短,而光隔离器最佳位置距EDFA输入端远.     

相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法

分析了相移光腔衰荡技术中由锁相放大器探测光腔输出信号一次谐波的振幅和相位随调制频率的变化曲线。拟合结果发现,联合幅频和相频曲线构造同时含有振幅和相位信息的均方差拟合函数,不同频率拟合范围得到的衰荡时间平均值为0.791 μs,最大误差由分别用幅频或相频曲线拟合得到的衰荡时间误差的8%减小到1.3%,均方差仅为0.5%。通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数,避免了相移光腔衰荡中直腔实验时测量系统频率响应曲线,提高了测量精度。     

相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法

 分析了相移光腔衰荡技术中由锁相放大器探测光腔输出信号一次谐波的振幅和相位随调制频率的变化曲线。拟合结果发现,联合幅频和相频曲线构造同时含有振幅和相位信息的均方差拟合函数,不同频率拟合范围得到的衰荡时间平均值为0.791 μs,最大误差由分别用幅频或相频曲线拟合得到的衰荡时间误差的8%减小到1.3%,均方差仅为0.5%。通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数,避免了相移光腔衰荡中直腔实验时测量系统频率响应曲线,提高了测量精度。     

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.