光腔衰荡光谱方法探测痕量一氧化碳气体

基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器(DFB),搭建了一套光腔衰荡光谱仪(CRDS)。衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成,衰荡腔长约为130 cm,空腔衰荡时间约为150 μs。当光谱平均次数达到1 000次时,光谱仪灵敏度(最小可探测吸收系数)达到5×10-12 cm-1。利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长,并使用衰荡光腔自身作为光学标准具,来标定光谱的频率：利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率,使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配,从而实现所测得光谱的自动标定。通过测量一氧化碳分子在1.565 μm附近的吸收光谱,测定气体中一氧化碳的含量。将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比,对装置的定量精度进行了检验,表明其对一氧化碳的探测极限达4 ppbv。利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测。     

CRDS-CARS-PLIF技术精确定量测量火焰OH浓度实验研究（英文）

在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上，采用脉冲式光腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)实现了对OH分子浓度的定量测量。根据光腔衰荡吸收光谱理论，选取OH的A₂Σ⁺-X₂Π(0,0)电子跃迁带中的P₁(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm,并测量空腔(光腔中无火焰)的衰荡时间为2.33μs。通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数，分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min^-1)和空气(15...     

6590cm-1附近N2O分子的连续波腔衰荡光谱测量

以超低膨胀系数微品玻璃为腔体,以分布反馈(DFB)激光器为光源,建立了一套高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统.该系统通过扫描腔长来实现入射激光与衰荡腔的频率匹配,通过DFB激光器的电流调制实现入射光的快速关断.通过DFB激光器的温度、电流调谐实现系统的光谱扫描,7.6×10-9cm.的测量灵敏度.结合超高真空系统,对N2O在6586.5～6596.5cm-1的19条N2O吸收谱线的吸收强度及多普勒展宽系数进行了测量,并就测量结果与HITRAN2004数据库进行了比较和讨论.     

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。     

Ba原子6s6p1P1←6s6s1S0跃迁的光腔衰荡光谱

建立了一套光腔衰荡原子束吸收光谱测量装置,并对Ba原子的6s6p¹P₁←6s6s¹S₀吸收谱线用光腔衰荡光谱方法进行了测量,得到了Ba原子在553.548nm不同温度下的吸收谱线线型.实验结果表明,该装置测量吸收灵敏度达到6×10^-7. 关键词： 光腔衰荡 吸收光谱 Ba原子     

光腔衰荡法测量高反射率的实验研究

基于光腔衰荡光谱技术,建立了以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置,该装置可用于精密测量全固体激光器高反射率腔镜的反射率,检测得到了高反腔镜在946nm的反射率。实验测得平凹镜和平面镜衰荡时间的平均值分别为1．624μs和821ns,平凹镜的反射率为99．794％,相对误差精确到10^-5;平面反射镜的反射率为99．800％,相对误差精确到10^-4。结果表明,光腔衰荡法可用于高反射率腔镜反射率的测量,与分光光度计测得的结果相比,具有非常高的测量精度。     

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10~(-9)cm~(-1)(2 s平均).     

基于高精细度光腔锁频激光的分子吸收光谱测量

利用高精细度光腔锁定激光频率,实现了对分子吸收光谱的高精度测量.光腔采用低热膨胀系数的殷钢结构设计和温度控制,实现了腔长度的稳定;通过将激光频率锁定在光腔纵模上,实现了高频率精度和高灵敏度的光腔衰荡光谱测量.利用该装置示范性地测量了二氧化碳分子在6470.42 cm~(-1)附近的光腔衰荡光谱和色散光谱,得到了高精度的谱线参数,并和数据库谱线参数进行了对比.     

Ba原子吸收系数的光腔衰荡光谱测量

建立了一套脉冲激光腔衰荡光谱实验装置,并将光腔衰荡光谱技术用于原子束吸收光谱的测量,得到了Ba原子的6s6p^1P1←6s6s^1S0吸收线,进一步得出Ba原子在553．548nm附近的吸收系数,同时对吸收系数与原子炉温度的关系进行了分析,得到了较好的实验结果。     

腔衰荡光谱方法测量大气中痕量NH_3的浓度

NH_3是大气二次细颗粒物的主要前驱物之一,NH_3浓度的准确测量对于大气环境监测和保护具有重要意义。近红外波段激光器的成本较低,但采用其测量NH_3时,普遍存在受环境中H_2O、CO_2气体干扰以及吸收光程较短等问题。为克服环境中H_2O、CO_2干扰气体的影响,筛选出中心波数为6521.97 cm~(-1)的吸收谱线,利用该谱线对大气环境中痕量NH_3的浓度进行测量。该谱线不受环境中CO_2吸收的影响,且在低压条件下与H_2O吸收谱线的重叠范围较小,通过多峰拟合可以准确提取出NH_3的光谱吸收率。基于分布反馈式激光器搭建了一套腔衰荡吸收光谱测量装置,在该装置中,衰荡光腔由一对反射率高达99.996%的高反镜构成,空腔衰荡时间约96μs,有效吸收光程可达1.6×10~4 m。利用该装置对大气环境中痕量NH_3的浓度进行测量,结果表明:该测量系统的探测灵敏度可以达到3.9×10~(-10)。     

光腔衰荡光谱法测量大气中的NO_3和N_2O_5（英文）

本文应用基于二极管激光器的双路光腔衰荡光谱技术,分别对大气中NO_3和N_2O_5浓度进行监测.通过使用实验室标准样校正有效吸收腔长比R_L和系统的总损耗系数η,并获得了NO_3有效吸收截面.该装置在时间分辨率为1 s时,对NO_3的测量灵敏度达到1.1 pptv,N_2O_5被在线转换成NO_3,从而被另一路光腔衰荡光谱装置探测.利用该装置,对合肥市区冬季夜间大气中的NO_3,N_2O_5浓度进行了实时监测.通过对比一次大气快速清洁过程中氮氧化物、臭氧、PM_(2.5)等组分的浓度变化,讨论了大气环境下可能影响NO_3及N_2O_5浓度的因素.     

用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统

报道了用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统.该系统以“9”字型全保偏掺铒飞秒光纤激光器为激光源.利用自制的锁相环电路,获得的重复频率和载波包络相移频率秒级稳定度分别为5.85×10^–13和4.95×10^–18.为了满足CO, CH₄等分子吸收光谱测量,利用啁啾放大和非线性光谱展宽技术,采用多支路结构,将飞秒光梳直接输出光谱由1500—1600 nm分别扩展至8个目标波长(1064, 1083, 1240, 1380, 1500,1600, 1750和2100 nm)处,各目标波长处的单模功率均大于300 n W,满足光腔衰荡光谱测量实验的需求.     

CO2的腔增强吸收与高灵敏吸收光谱研究

腔增强吸收光谱(CEAS)是在衰荡吸收光谱的基础上发展起来的一种新型的直接吸收光谱技术.文章报道了用中心输出波长为1.573μm的窄线宽连续可调谐半导体激光器(DFB封装)作光源,用两块高反射率平凹透镜(在1.573μm附近,凹面反射率R～99.4%,曲率半径r～1 m)组成对称共焦腔作吸收池的腔增强吸收光谱系统.采用扫描腔长的方法改变谐振腔的模式,当激光器的输出频率与谐振腔的某一腔模之间满足共振匹配关系时,激光被耦合到谐振腔内,用探测器接收透过谐振腔的光信号,同时用波长计精确测量激光器的输出波长.在33.5 cm长的吸收池内测量了吸收强度为1.816×10-23cm-1·(molecule·cm-2)-1的二氧化碳分子的弱吸收谱线,探测灵敏度达到了6.78×10-7 cm-1.实验结果表明,腔增强吸收光谱具有灵敏度高,装置简单,易于操作等优点.     

光腔衰荡光谱技术测定大气水汽稳定同位素校正方法研究

几乎所有小的气相分子（如H₂O,CO₂等）均具有独特的近红外吸收光谱,在负压条件下,每种微小的气相分子都拥有一对一的特征光谱线,基于这一原理人们开始使用激光光谱（IRIS）技术来准确分析气体样品中的同位素组成。该方法克服了传统同位素比质谱（isotope ratio mass spectrometry, IRMS）方法的局限性,已经成为公认的高精度、高灵敏度和高准确度的痕量气体检测方法。以大气水汽稳定同位素研究为例,大气水汽稳定同位素组成对水汽源区及其通道上的输送过程等水循环研究有着重要的指示意义。激光光谱技术使得大气水汽氢氧稳定同位素（δ18O和δD）野外原位连续高分辨率观测成为可能。但是,其观测精度和准确度受仪器运作特点、不同浓度大气水汽对特定光谱吸收性的敏感性差异等因素的影响,通常观测结果具有明显的非线性响应问题。因此,有必要对仪器观测过程中出现的各种偏差进行校正,但现阶段许多用户对新观测技术的国际校正方法尚不清楚。因此,基于波长扫描-光腔衰荡光谱（WS-CRDS）技术的大气水汽同位素观测系统（Picarro L2120-i）,通过可调谐二极管激光器（Tunable Diode Laser, TDL）发射可被待测气体分子所吸收的不同波长的激光,测量不同波长下的衰荡时间（即有样品吸收的衰荡时间）;TDL发射不能被待测气体吸收的不同波长的激光,测量每个波长下的衰荡时间（相当于无样品吸收的衰荡时间）。通过分析有无样品吸收的衰荡时间差,高精度计算待测气体的分子浓度,进而计算水汽稳定同位素组成。从记忆效应、漂移效应、浓度效应等方面,系统建立了一套准确可靠的大气水汽稳定同位素观测流程与校正方法,为正在使用或将要使用此类设备的研究人员提供参考,以获得高精度和高可靠性的大气水汽稳定同位素观测数据。     

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。     

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。     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型气体浓度传感器.用光纤环全反镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成F-P线形腔，通过调节光栅的反射波长，使激光激射波长落在C₂H₂的一个较强的吸收峰1531.56 nm.激光激射延迟时间与激光器谐振腔损耗密切相关，气体浓度的改变将引起谐振腔损耗的改变，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度.该装置分辨率及灵敏度由抽运光脉冲的高功率电平和低功率电平决定，传感器的动态测量范围由抽运光高功率电平决定.当高功率和低功率电平分别为25 mW和5.9 mW时,该传感器的灵敏度和分辨率分别为100 ppm/μs和20 ppm.     

电激励DF化学激光器光腔流场荧光光谱测量与分析

观察并记录了增大D2流量时DF激光光腔流场可见光荧光的变化现象,对光轴处的可见光荧光进行了光谱测量,使用波长为632.8 nm和543.5 nm的He-Ne激光器对光谱仪进行标定。对激光器光腔内介质成分进行了理论分析,并理论计算了DF高次泛频谱线及D原子谱线,通过比对荧光的实验测量光谱与光腔内介质成分谱线,发现荧光是由F,He,D,N,DF及其它激发态介质共同形成的,对光轴处荧光的颜色构成作出了解释。     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.