基于CEEMDAN的光声光谱CO检测技术

为实现高灵敏度痕量CO气体探测,设计并实现了一种基于光声光谱的CO气体传感器,采用近红外分布反馈式激光器和掺铒光纤放大器作为激励光源系统,结合双通道差分光声池降低系统噪声。用自适应噪声的完备经验模态分解算法结合Savitxky-Golay滤波器对采集的非线性光声信号进行降噪,通过评估降噪后分量与原始信号的相关系数选取有效模态并重构。实验结果表明,室温和常压条件下,积分时间为100 ms,经算法处理,该系统CO检测信噪比提高至原来的4.6倍,最低检测极限降低到2.6×10^-6,且该传感器对气体浓度具有良好的线性响应,验证了该算法在提高光声光谱系统检测性能方面的可行性与有效性。     

基于可调谐光纤激光器的C2H2气体光声光谱检测

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

基于抛物线演化的宽光谱光纤啁啾脉冲放大系统

为了满足光纤激光器在宽光谱高能量应用领域的要求,搭建了一种结构紧凑的光纤型宽光谱啁啾脉冲放大系统。将色散管理型锁模激光器产生的高斯型脉冲作为种子源,注入到正色散掺铒光纤放大器中进行自相似放大,脉冲将逐渐演化成抛物线型,此过程中脉冲的谱宽和能量都迅速增大。随后脉冲经色散补偿光纤的时域展宽,双包层铒镱共掺光纤的功率放大,透射光栅对压缩后实现了高能量的宽光谱输出。并结合理论模拟,优化了激光器的各元件参数,最终在中心波长1 560 nm处实现了光谱宽度为30 nm,平均功率为1.3 W,脉宽为587 fs,重复频率为40.1 MHz的宽光谱高能量激光输出。该激光器结构紧凑,稳定性好,对光学频率梳、光通信等应用领域具有一定研究价值。     

NO分子光声光谱的理论分析

采用拉普拉斯变换严格求解二能级系统光与物质相互作用的速率方程,获得了强激光诱导气体分子系统光声信号的解析表达式。结果显示光声信号的大小与样品分子的吸收截面、激发光强度、分子共振跃迁吸收的光子数、分子碰撞弛豫速率等因素有关。借助于光声信号随激光强度的变化关系,将NO分子在420.0～470.0 nm波长区间的激光诱导光声光谱归属于NO分子经X 2Π→A 2Σ的双光子激发跃迁及X 2Π→E 2Σ,F 2Σ,R 2Σ的三光子激发跃迁,由此获得NO分子A 2Σ,E 2Σ,F 2Σ和R 2Σ激发电子态的振动常数分别为2 346,2 342,2 397和2 381 cm-1,结果与采用其他方法测量的结果符合得较好。并对光声信号随缓冲气压升高而出现饱和的现象进行了理论解释。     

基于脉冲石英增强光声光谱的中红外超高灵敏CO探测

发展了一种超高灵敏的CO痕量气体测量装置,该装置采用4.65μm脉冲式中红外外腔量子级联激光器作为激发光源,结合石英增强光声光谱技术,对2135~2225cm-1之间的CO基频振动光谱带R支进行连续光谱扫描。水被加入到被测气体中,以加快较慢的CO分子振动-平动弛豫率。在锁相放大器时间常数为3ms,激光器占空比和扫描速率为50%和18cm-1/s时,获得的最小探测极限为4.6×10-8(体积分数),与之对应的归一化噪声等效吸收系数为1.07×10-8 cm-1 W/Hz。     

基于光纤环形激光器和光放大的100 km光纤布拉格光栅传感系统

在基于掺铒光纤-拉曼混合放大的可调光纤环形激光器的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统结构基础上,提出了延长传感距离的新方法。该方法以环形掺铒光纤激光器作为光源,采用双波长拉曼放大的方法对信号进行低噪声的双向放大,系统中间的两段掺铒光纤再利用剩余的抽运功率产生自发辐射光和放大传感信号,使得整个系统能够在超长的传感距离上获得很高的信噪比。实验表明使用一只40 mW的掺铒光纤放大(EDFA)抽运源、一只170 mW的拉曼抽运源和一只2 W的拉曼抽运源,可以使整个系统的传感距离达到100km,并且传感系统的光纤布拉格光栅反射信号均能获得超过57 dB的优良信噪比,从而实现在超长距离上的光纤布拉格光栅传感。     

灵敏的基于分布反馈式半导体激光波长调制光声光谱

利用室温下单模运行的近红外半导体二极管激光,报导了波长调制共振光声光谱结合二次谐波探测技术.实验系统应用到乙炔探测,在1个标准大气压和3毫瓦平均光功率以及3毫秒锁相积分时间条件下其探测灵敏度可达10ppm(体积比),归一化到激光功率和系统带宽最小可探测吸收为4.0×10-8Wcm-1/Hz,并且实验中发现系统最佳压力响应值在2.66×104Pa附近.本实验装置可有效的消除光声光谱系统中常见的窗片和光声腔壁吸收入射光而引起的背景噪声.此外,相对于其他方法我们描述的基于半导体激光共振光声光谱具有很大的优点,为进一步发展便利、实用、便携式环境监测仪器奠定了坚实的基础.     

一种实现光声光谱的导数光谱的新方法

提出了一种实现光声光谱的导数光谱的新方法,为了获得光声光谱的导数光谱,利用一台单色仪和一个分光棱镜研制成一个波长-光强分束器,并用这个波长-光强分束器同时获得两束光强相等而波长有微小差别的两束光,这两束光经过一个互补调制器调制后在光声探测器内叠加,可以实现光声信号的差分,扫描单色仪的波长,就可以获得光声吸收光谱的导数光谱。实验证明这种方法可以准确实现光声光谱的一阶导数光谱,而且导数光声光谱比光声吸收光谱具有更高的光谱分辨率。     

掺铒光纤环镜中超短光孤子的放大与压缩I．基本原理

用常规掺铒光纤放大器放大超短光孤子存在一个重大困难。就是在放大过程中光纤非线性效应会引起孤子波形及频谱畸变，使得输出脉冲不再具有孤子特性，从而影响系统性能。提出一种利用掺铒光纤环镜放大超短光孤子的新方法，数值计算表明，该方法不仅可实现无畸变的光孤子放大，而且能同时实现孤子宽度的有效压缩。当宽度为2ps的基阶孤子经过长度为92．6m、增益为14．4dB的环镜后，其峰值功率被放大165倍，脉冲宽度被压缩到0．19ps，时间一带宽积为0．303。脉座能量仅占整个脉冲能量的3．8％，表明由环镜输出的放大脉冲很大程度上具有基阶孤子特性。     

非线性掺铒光纤环镜中超短光孤子串的产生及放大

利用数值模拟方法证明了,双频弱连续波的拍频信号在分布增益的非线性掺铒光纤环镜内传输,能产生超短光孤子串.数值计算表明,当输入信号为重复率<20 GHz的拍频弱信号时,可在较短的环镜长度内产生占空比大且高质量的光孤子串.研究同时发现,输入信号的平均功率越大,所需环镜长度越短.与其他方法相比,该方法不仅能克服传统方法所产生的脉冲重复率受限的困难,而且在无需采用特种光纤的情况下,将弱信号转化为超短光孤子串.     

基于掺铒光纤/喇曼混合放大的光纤激光器布喇格光栅传感系统

提出了一种提高长距离光纤布喇格光栅信噪比以进行准分布测量的新方法.该方法基于掺铒光纤/喇曼混合放大的光纤激光器结构,掺铒光纤和滤波器构成的环形结构产生激光作为光源,喇曼光纤放大器对布喇格光栅信号进行低噪音的双向放大,置于远处的掺铒光纤利用剩余的泵浦功率产生自发辐射光和放大传感信号,为远处掺铒光纤之后的布喇格光栅传感器提供信号光以及补偿由于长距离传输造成的光纤损耗.实验显示,与使用宽带光源的传感方式相比,系统的性能得到显著提高,仅使用小功率泵浦,分布在50 km光纤上的FBG均获得了超过58 dB的优良信噪比.     

基于中红外量子级联激光器和石英增强光声光谱的CO超高灵敏度检测研究

采用石英增强光声光谱(QEPAS)技术对CO痕量气体展开检测研究. 为了实现超高灵敏度探测, 采用输出波长为4.6 μm的新颖中红外高功率分布反馈量子级联激光器为光源, 实现了对CO气体基频吸收带的激发与测量. 在优化了调制深度、气体压强和提高了CO分子的振动-转动弛豫速率后, 获得了1.95 ppbv的优异探测极限. 在分析检测结果的过程中, 讨论了能级寿命对信号强度的影响, 并对QEPAS信号强度的表达式进行了修正.     

掺铒光纤环镜中超短光孤子的放大与压缩Ⅰ.基本原理

用常规掺铒光纤放大器放大超短光孤子存在一个重大困难 ,就是在放大过程中光纤非线性效应会引起孤子波形及频谱畸变 ,使得输出脉冲不再具有孤子特性 ,从而影响系统性能。提出一种利用掺铒光纤环镜放大超短光孤子的新方法 ,数值计算表明 ,该方法不仅可实现无畸变的光孤子放大 ,而且能同时实现孤子宽度的有效压缩。当宽度为 2 ps的基阶孤子经过长度为 92 .6m、增益为 14 .4dB的环镜后 ,其峰值功率被放大 16 5倍 ,脉冲宽度被压缩到 0 .19ps ,时间带宽积为 0 .30 3,脉座能量仅占整个脉冲能量的 3.8% ,表明由环镜输出的放大脉冲很大程度上具有基阶孤子特性。     

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.     

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10~(-4)(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10~(-7)cm~(-1).W·Hz~(-1/2).     

被动高阶谐波锁模掺Er3+光纤激光超短光脉冲的产生及其放大

报道了利用光纤的非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收体的锁模机制,从掺Er3+光纤环形腔激光器中产生稳定的高阶谐波锁模光脉冲的实验研究结果(限于示波器带宽,实验中最高曾测量到稳定的4076MHz重复频率的谐波锁模光脉冲).实验中发现有三种不同的演化方式产生高阶谐波锁模光脉冲,还观察到在8352MHz谐波锁模光脉冲的光谱中出现孤子光谱边带.四阶谐波锁模(8352MHz重复频率)超短光脉冲经过6m长高掺杂浓度的掺Er3+光纤放大器放大后产生了平均输出功率1388mW,脉宽201fs,中心波长1531μm,单脉冲能 关键词：     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

掺铒光纤环镜中超短光孤子的放大与压缩Ⅱ.环镜及输入脉冲特性对放大结果的影响

最近的研究发现,用掺铒光纤环镜放大并压缩超短光孤子不仅能避免常规掺铒光纤放大器中由于非线性效应引起的孤子畸变,而且可克服绝热放大技术中放大器长度随输入脉宽增大而指数规律增大的困难。进一步研究了环镜及输入脉冲特性对放大结果的影响。数值计算表明,对于确定的输入脉冲,当环镜参量(环镜长度、增益、耦合器功率耦合系数)在较大范围内变化时,环镜放大器的孤子输出性能基本稳定。对于确定的环镜,输入脉冲形状的变化、初始输入功率的起伏以及高阶效应等因素对放大结果的影响较小;相对而言,初始频率啁啾对输出孤子宽度的影响较大,但对输出孤子质量的影响并不严重。