1.39 μm附近H2O谱线参数测量及其在燃烧动力学中的应用

将可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于高温气体浓度在线检测,谱线参数的准确性非常重要。为利用红外波段进行燃烧生成H₂O的浓度在线测量,需要实验校准H₂O的谱线参数,尤其是Ar加宽系数,该系数对燃烧反应速率测量和机理验证至关重要。采用半导体激光器作为光源,结合实验室搭建的谱线参数测量系统,采集了1.39 μm波段附近H₂O的4条吸收谱线信号,获得了谱线线强、自加宽系数和N₂加宽系数,与HITRAN数据库和文献结果进行了对比,均吻合较好。首次系统地获得了该波段谱线的Ar加宽系数。在谱线参数确定基础上,获得了在反射激波高温条件下H₂/O₂/Ar燃烧生成H₂O的浓度随时间的演变曲线,验证了相应燃烧动力学机理。结果为利用该波段进行含氢燃料燃烧过程H₂O浓度测量及相关高温燃烧动力学研究提供了可靠的实验依据。     

1.573 μm处CO2高温谱线参数研究

在吸收光谱测量,特别是高温光谱测量中,吸收分子谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN/HITEMP2004数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性,为了对所选1.573μm处的9条可用于燃烧诊断的CO2谱线参数进行校准,文章采用窄线宽二极管激光器作为光源,结合自行搭建的实验室高温测量系统,记录了300～800 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱,获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、空气加宽系数及其温度指数等谱线参数.通过实验结果与HITRAN/HITEMP2004数据库中数据间的对比发现两者之间吻合较好,其中谱线强度相对偏差小于3%,空气加宽系数及其温度指数相对偏差分别小于5%和2%.所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO2浓度监测会有很大帮助.     

2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究

研究高温下待测气体的谱线属性, 如谱线强度、自加宽系数、空气加宽系数、温度系数等, 为高温环境中可调谐半导体激光吸收光谱技术反演温度、浓度、速度及其场分布提高精度和可靠性起着十分重要的作用. HITEMP数据库中的数据基本上是理论计算结果, 与实际情况存在相当的误差. 为了获得所选2.0 μm处的可用于燃烧诊断的CO₂谱线参数, 本文采用半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了700–1300 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱, 获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、自展宽系数及温度系数等谱线参数. 测量得到CO₂的5006.978 cm^-1和5007.7874 cm^-1谱线强度与理论计算值相对误差小于11%; 获得了现有数据库缺少的温度系数和高温下自展宽系数数据. 所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO₂浓度检测有很大帮助. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 高温光谱 自展宽系数 温度系数     

高气压CO2激光器宽带输出频谱特性的理论研究

从理论上研究了高气压CO2激光器的宽带输出频谱特性.结果表明，在20个大气压下，CO2激光器有宽带输出，带宽高达5.0 cm－1（相当于150 GHz），从971 cm－1~976 cm－1，峰值在10R(16)线处，10R(14)线和10R(18)线差不多对称地分布其两侧.很小的增益差异（4.6%）造成了很大的能量输出差异（100多倍）.比较了谐振腔内有无色散元件时的输出频谱，理论证明了谐振腔内无任何色散元件时的宽带输出频谱是光滑连续的，而频率依赖的反馈引起了输出频谱很强的精细结构.理论计算结果与实验测量结果符合较好.     

1.315μm附近CO2的高分辨率吸收光谱

利用可调谐激光长程吸收光谱测量系统,记录到1.315μm附近高气压（80kPa和40kPa）CO2的高分辨率吸收光谱,拟合分析获得谱线参数,结果与HITRAN 2k的数据基本一致。用程差法测量了绝对吸收,氧碘激光频率(7 603.138 5cm-1)的总吸收截面为(0.23~0.29)×-24cm2。仅计算谱线吸收的吸收截面为0.18×10-24cm2。在1.315μm波段COCO2存在连续吸收,吸收截面为(0.05~0.11)×10-24cm2。还讨论了测量误差问题。     

线相干效应对测量重叠谱线线参数的影响

利用环形腔掺钛宝石激光自动扫描系统、公里级怀特池系统和信号探测系统，我们对氧分子Ａ带重叠谱线区（１３１６２．８５～１３１６５．３３ｃｍ￣（－１））进行了高分辨吸收光谱测量，给出了８条谱线的线宽、线强的实验值。同时通过对测量数据的分析，首次证明在谱线重叠区，谱线之间的线相干效应不仅影响谱线之间的吸收率，而且同样影响线参数测量值的精度。在０．１ＭＰａ与光程为１ｋｍ时，它对线强、线宽的测量值和透过率的最大影响分别可达８．８％、１６．６％和８．３％。     

基于非线性最小二乘法的多光谱拟合程序：应用于12CH4谱线参数分析

精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用,特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。采用实验测量获取谱线参数时,需要在已知实验条件（浓度,温度,总压力,吸收光程以及气体分子种类的混合比等）的情况下,多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱,然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱,反演获得所需要的光谱参数。然而,一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。针对此问题,采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。该程序可同时处理多张实验光谱,并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。详细介绍了该程序的原理、使用方法及数据处理过程。利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2 958～2 959 cm-1波数内甲烷（12CH₄）分子6条跃迁谱线的实验光谱,获得了296.0,251.0,223.0,198.0和173.0 K共5组温度下12CH₄分子6条谱线的空气展宽系数。与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明：获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间,两者数据整体符合较好,并且在30组对比数据中,有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值,有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等,其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值,表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性,适用于气体分子吸收光谱的处理。     

1.315μm附近CO2的高分辨率吸收光谱

 利用可调谐激光长程吸收光谱测量系统，记录到1.315μm附近高气压（80kPa和40kPa）CO₂的高分辨率吸收光谱，拟合分析获得谱线参数，结果与HITRAN 2k的数据基本一致。用程差法测量了绝对吸收，氧碘激光频率(7 603.138 5cm^-1)的总吸收截面为(0.23~0.29)×^-24cm²。仅计算谱线吸收的吸收截面为0.18×10^-24cm²。在1.315μm波段COCO₂存在连续吸收，吸收截面为(0.05~0.11)×10^-24cm²。还讨论了测量误差问题。     

2.0μm附近模拟呼吸气体中~(13)CO_2/~(12)CO_2同位素丰度的高精度实时在线测量

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术,结合一新型多通池搭建了一套模拟呼吸气体中CO_2同位素丰度的测量装置.气体的压强、温度和流速被很好地控制且均能保持长期的稳定性;采用三次多项式拟合光谱基线,对光谱进行归一化,很好地消除了功率变化对测量结果的影响;利用移窗-回归技术消除频率漂移对同位素丰度测量的影响.实验结果表明:移窗-回归法的引入不仅延长了系统的稳定时间,还提高了系统的测量精度;小波去噪的应用获得了比多光谱平均法高2倍的信噪比;系统的稳定时间为100 s;Kalman滤波后系统测量精度为0.067‰.     

温度调谐技术测量CO2在6320～6336cm-1波段的吸收光谱

针对当前可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术中调谐范围、调谐时间以及系统复杂性方面存在的不足,提出了利用激光器模块中的热电制冷器(TEC)和负温度系数(NTC)热敏电阻等元件对激光二极管(LD)进行温度宽谱调谐的方法,并在快速温度调谐过程中精确计算激光器的辐射波长。利用温度调谐二极管吸收光谱技术在3s的时间内测得了CO2气体在6320～6336cm-1波段的高分辨率吸收光谱。在此波段共测得8个较强吸收线。将得到的光谱参数与HITRAN 2008中的数据比较,吸收线位置、线强以及半峰全宽(FWHM)的偏差分别小于1%,3%以及6%。另外,测得的14条较弱的吸收谱线也与谱库中的谱线参数吻合。     

基于光声光谱技术的1.5 μm波段 NH3吸收谱线测量与分析

NH₃的检测具有广泛的应用,采用光声法检测NH₃是当前研究的热点,而确定NH₃的吸收谱线则是实现光声法检测NH₃的前提。采用外腔可调谐半导体激光器构造了光声气体检测系统,检测了NH₃的近红外吸收谱线,获得了常温常压下NH₃在1 515~1 532 nm范围内的吸收光谱。实验确认了NH₃在1 515.2,1 516.0,1 518.0,1 519.9,1 522.4,1 527.0,1 531.7 nm处存在强吸收。HITRAN 2004光谱数据库在近红外1.5 μm波段NH₃的吸收谱线数据未见报道,该结果为研究光声法检测NH₃提供了更多可选择的吸收谱线。     

SiH4激光等离子体内H谱线的线型研究

本工作利用光学多道分析仪(OMA Ⅲ)测量了脉冲TEA CO₂激光诱发的SiH₄等离子体内H Balmer系的H_α,H_σ和H_γ线的线型。结果表明,三条谱线的FWHM(半值全宽度)随跃迁上能级的主量子数的增加而增加,即△λ_1/2(H_α)<△λ_1/2(H_β)<△λ_1/2(H_γ)。通过对等离子体内各类加宽机制的讨论,得出等离子体内谱线的主要加宽机制为Stark加宽。由H_α线的实验线型与Stark加宽理论线型的拟合,得到等离子体的两个重要参量,平均电子密度N≈10¹⁷cm^-3,电子温度T≈40 000K。由H_β线的时间分辨测量得到等离子体的电子密度随时间的演变曲线。 关键词：     

混合气体测量中重叠吸收谱线交叉干扰的分离解析方法

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)进行多种组分混合气体测量时,经常会遇到吸收谱线之间存在相互干扰的现象,这也是使用该技术测量过程中的主要"瓶颈".比如在前期的应用中:微量一氧化碳(CO)和甲烷气体(CH₄)在同时检测时两者的吸收谱线存在严重的重叠干扰现象,特别是在高浓度CH₄存在的环境下,微量CO气体吸收信号会被干扰甚至湮没,无法实现有效解调,这是通过谱线选取所不能解决的问题.因此,针对此问题本文提出了基于支持向量回归模型,以CO和CH₄吸收谱线的严重重叠干扰问题为例,通过选择线性核函数建立CO支持向量回归模型和CH₄支持向量回归模型,可对CO和CH₄的混合气体吸收谱线进行解调,最终获得两种气体浓度的准确测量结果.通过实验分别实现了四种不同浓度CH₄环境下微量CO气体的检测,得到的CO和CH₄浓度(气体的体积分数)测量的绝对误差分别小...     

激光长程吸收光谱法测量高分辨率大气吸收光谱

用脉冲可调谐光参量振荡器作光源 ,使用光程长达 1km的 8m长吸收池 ,采用分时复用的单探测器探测方法 ,组成测量系统 ,测量了一系列高分辨率的模拟和实际大气的吸收光谱。系统的灵敏度为 0 .5× 10 - 6cm- 1 ,分辨率为 0 .0 2cm- 1 。 1.315 μm附近实际大气的吸收光谱与HITRAN96模拟结果比较 ,强线符合得很好。水汽光谱的大多数强线的分子线强度相对误差在 10 %以下。     

15N16O的激光磁共振谱与同位素分子15N17O和15N18O的光谱分析

采用内腔式饱和吸收技术获得Lamb凹陷,使CO激光磁共振谱仪的灵敏度及分辨率大大提高.利用该技术对自然丰度下¹⁵N¹⁶O的X²Π(υ=1)←X²Π(υ=0)塞曼跃迁进行测量,实现了包括Λ双分裂在内的各种精细结构的谱分辨.结合已发表的¹⁵NO同位素分子光谱实验数据进行分析计算,拟合得到迄今最完备、最精确的各相关同位素分子¹⁵N^mO(m=16—18)的结构参 关键词：     

GeⅩⅩ～GeⅩⅩⅥ谱线的测量和辨认

测量了线聚焦激光加热锗等离子体发射的ＸＵＶ光谱，对ＧｅＸＸ～ＧｅＸＸⅥ谱线进行了辨认和分类。给出了谱线波长和相对强度；计算了辐射跃迁几率和吸收振子强度；并与其它实验室有关结果进行了比较。     

基于原子和分子谱线分析的LIBS快速测量CO_2

作为温室气体的主要成分,CO_2的排放控制有利于应对全球气候变暖以及生态环境变化,对CO_2的快速检测具有重要意义。目前检测CO_2的方法有滴定法,电化学法,气相色谱法,红外吸收光谱法等,但对应用于工业现场的在线监测还存在着不足。激光诱导击穿光谱(LIBS)具有远程测量,无需或仅需简单预处理,多组分同步测量等优点,本文提出将其应用于CO_2在线监测,期望发展适用于工业过程碳排放的在线监测技术。利用质量流量控制器控制纯度为99.99%的CO_2和N2配比形成不同CO_2浓度的混合气体模拟烟气环境,经过混气瓶充分混合后送入密封样品池进行LIBS测量实验。研究不同延迟时间下C247.86nm和CN38.34nm谱线的演化规律,验证了等离子体形成过程中存在部分CO_2分子解离反应生成CN分子,在CO_2定量分析时应考虑CN分子谱线的影响,并获得同步测量C原子和分子谱线的最佳延迟时间为800ns。在此基础上,由于等离子体演化过程中,各种信息相互影响,分析指标与多个测量参数存在关系,综合考虑C原子、CN碎片及修正高浓度影响下的自吸收效应,采用多元回归分析方法建立了CO_2定量分析曲线,其拟合度R~2和斜率分别达到了0.978和0.981,结果表明相比单个指标直接定标,该方法提高了定量分析模型的可靠性,验证了LIBS技术快速测量CO_2的可行性。     

激光等离子体谱线线型研究与谱线强度测量

在对激光等离子体中不同区域发射的Ｘ光光谱谱线的加宽机制（如Ｄｏｐｐｌｅｒ展宽、Ｓｔａｒｋ展宽等）及谱线线型研究的基础上，构造了不同的线型拟合函数。通过和实验谱线的数据拟合，可以精确测量等离子体发射的Ｘ射线光谱强度。和截断法相比，该方法的优点是可以方便地根据谱线的不同展宽机制将相应的线谱和背景连续谱以及邻近的线谱分开，从而达到精确测量线光谱强度的目的。该方法不但能够应用于激光等离子体发射的光谱，也可用于其它波段的线谱强度的精确测量。     

小型多功能CO2激光器

研制了一种小型多功能CO2激光器。该激光器可以单脉冲、重频或连续方式输出,并可实现输出脉冲频率的编码及波长调谐。激光器谐振腔采用光栅一级振荡,零级输出的工作方式,分别利用声光调Q技术和脉冲放电技术实现了百ns至亚ms量级的脉冲激光输出。详细介绍了该激光器中基于光学角反射器原理设计的光栅调谐定向输出装置,并对其进行了理论计算和论证,实现了不同波长激光的定向、定位输出,获得调谐激光输出谱线超过60条,谱线分辨率优于0.01μm。激光器脉冲重复频率1Hz～10KHz连续可调,输出波长调谐范围9.2μm～10.8μm,激光器连续输出最大功率8W,重复频率1KHz时最小激光脉宽180ns,峰值功率4062W。该激光器在激光与物质相互作用科学领域,特别是激光对物质作用与破坏机理的研究方面具有重要的应用价值。     

傅立叶变换激光腔内吸收光谱方法研究吸收谱线的强度与线形

在原有傅立叶变换激光腔内吸收光谱实验装置的基础上,利用信号差分方法减少了光强波动对实验干涉谱图的影响,改善了信噪比.通过对大气中氧气在760nm处的吸收谱线的绝对强度测量,验证了该方法的定量测量能力.在不同压力条件下对磷烷v=6伸缩局域模泛频吸收谱带进行了测量,获得了其谱线的自压力加宽和自压力线移参数.