中红外差频光源应用于实际大气水汽浓度测量

基于非线性光学效应,采用差频发生技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),在周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)中产生了中红外的可调谐激光源。泵浦光是一个功率为1 W、调谐范围在770到870 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器。信号光是一个功率为1 W、单频连续的Nd∶YAG激光器。当晶体的光栅周期为20 μm、温度调谐范围内在室温到200 ℃之间时,能够产生2.8 μm附近的、功率约为1～2 μW的差频光源。基于这个光源,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽(001←000)吸收带的吸收光谱。依据大气中水汽分子在8.5 cm的吸收光程条件下的吸收光谱,成功地测量得到了大气中的水汽浓度。     

碘稳频中红外差频激光光谱技术

为实现中红外波段的高精度线型研究,建立了一套在2.5～5um波段连续可调谐的中红外差频激光光谱测量系统.基于宽带连续可调谐钛宝石激光器(700 ～900 nm)和单频连续Nd:YAG激光器(1064 nm),利用碘多普勒展宽吸收和频率调制技术,对Nd:YAG激光的频率进行反馈控制,使1064 nm的Nd:YAG激光的波长稳定性好于1X10-5 cm-1由此差频输出的波长稳定性达到1×10-1cm-1水平,适合高精度的线形研究.并通过对CH4分子在2927 cm-1附近吸收谱线的测量,表明该系统可以结合频率调制方法,进行高灵敏的光谱检测.     

基于光纤激光器的中红外差频多波长激光产生

针对由YDFL和EDFL作为基频光源的QPM-DFG激光系统,利用PPMgLN晶体的色散关系及其温度特性,有效拓宽了QPM波长接受带宽.模拟结果表明,当采用1550和1060 nm波段的EDFL和YDFL分别作为DFG的信号和抽运光源时,对于相同的中红外波段,满足QPM条件所允许的抽运光波长变化范围远大于信号光波长变化范围.当固定信号光波长为1560 nm时,对于给定的晶体温度,1060 nm波段抽运光的QPM接受带宽超过17 nm,对应于中红外差频光带宽可约180 nm.采用多波长YDFL作为抽运源,单 关键词： 差频产生 准相位匹配 多波长中红外 光纤激光器     

红外差分光学吸收光谱技术测量环境大气中的水汽

研究了基于红外差分光学吸收光谱技术的环境大气中的水汽测量方法. 所用实验装置由自制的非分散红外多组分气体分析仪改装而成, 根据HITRAN数据库提供的线强参数,采用Voigt展宽线型和方法,并考虑温度、 气压及仪器函数的影响,计算出了水汽反演波段的有效吸收截面. 将反演的水汽浓度与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比, 得到了较好的测量一致性,测量相关系数为0.93347. 为今后采用红外DOAS技术测量其他在紫外可见波段无吸收或仅有弱吸收的气体 (如CO₂, CH₄, CO, N₂O等)提供了可借鉴的解决方案.     

差频产生中红外飞秒激光脉冲的研究进展

中红外飞秒激光脉冲在科研、民用及军事等方面都有重要的应用,文章回顾了产生中红外飞秒激光脉冲的几种方法,结合差频法产生中红外飞秒脉冲的优点,详细介绍了差频产生中红外飞秒激光脉冲的研究进展,最后进行了总结和展望.     

差频产生中红外飞秒激光脉冲的研究进展

中红外飞秒激光脉冲在科研、民用及军事等方面都有重要的应用,文章回顾了产生中红外飞秒激光脉冲的几种方法,结合差频法产生中红外飞秒脉冲的优点,详细介绍了差频产生中红外飞秒激光脉冲的研究进展,最后进行了总结和展望.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1μW.以CH4为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH4分子3028.751cm-1 v3基频吸收线作为分析谱线,10cm光程的检测限为0.8ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2~3.7 μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1 μW.以CH₄为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH₄分子3 028.751 cm^-1 v₃基频吸收线作为分析谱线,10 cm光程的检测限为0.8 ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

频差偏差对全视场外差测量精度的影响

根据全视场外差测量的相关理论,推导了频差偏差与仪器测量精度的相互关系.分析了频差大小、频差偏差、采集初始时间、初始相位、采样频率和采样周期数等相关参数对测量精度的影响.研究结果可以作为全视场外差测量设备设计、参数选取的理论依据;并给出了通过合理选择采样时间和采样帧数提高测量精度的一种方法.     

利用傅里叶变换红外光谱技术连续测量环境大气中水汽的稳定同位素

傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术可用来测量宽带红外光谱,能同时分析大气中的多种成分。描述了利用开放光路FTIR光谱技术测量环境大气中水汽的稳定同位素的新方法。以分析采集的中红外光谱为基础,在外场实验中,应用开放光程FTIR系统连续测量环境大气中水汽的稳定同位素H216 O和HD16 O,并得到大气中的氘同位素比值δD。对该测量系统,H216 O和HD16 O的测量误差分别约为0.25%和1.60%,氘同位素比值δD的测量精度约为1.32‰。详细分析了其中5天的数据,研究了环境大气中水汽的稳定同位素H216 O、HD16 O以及同位素比值δD随时间的变化规律。并采用Keeling图分析方法,研究了地表蒸散的氘同位素特征。外场实验的结果证明了所提的测量方法和开放光程FTIR系统相结合长期测量环境大气中稳定同位素的能力。     

基于吸收光谱原理的高温水汽浓度测量方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、快速响应、非接触式、环境适应性强等优点,能够实现燃烧温度、组分浓度、速度等参量的实时动态在线测量。为准确测量高温下的水汽浓度,采用窄带半导体激光器作为光源,结合实验室的高温测量系统,记录了常压下1.39μm附近水汽在773~1 273K温度范围内的吸收光谱,利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度,找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73cm-1,首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法,该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理,浓度测量的标准误差低于0.2%,相对误差低于6%。通过实验验证了该测量方法的可行性。     

基于二维相关中红外光谱技术的邻苯二甲酸二丁酯检测研究

利用二维相关红外光谱技术对正己烷中常用塑化剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的浓度变化进行了检测研究。利用傅里叶变换红外光谱仪对溶于正己烷中的DBP进行检测,得到742,1 078,1 123,1 281,1 467,1 728,2 873,2 933和2 961cm~(-1)特征吸收峰。将红外光谱分为三个波段400~1 200,1 200~1 900和2 900~4 000cm~(-1),通过二维相关光谱分析技术得知在1 123cm~(-1)波段(苯环面外摇摆及O-—C—O单键伸缩运动)、1 728cm~(-1)(C—O双键的伸缩运动)、2 873和2 961cm~(-1)(CH3伸缩运动)以及3 436cm~(-1)(苯环C—H的面内伸缩运动)对DBP浓度变化比较敏感。结合红外光谱宏观指纹技术以及二维相关光谱分析方法,能够较准确的分析出正己烷中的DBP的浓度变化,为食品中塑化剂含量的检测以及研究塑化剂的迁移规律提供了新的思路和方法。     

基于MAX-DOAS测定大气紫外波段水汽的吸收及其对DOAS反演影响的评估

大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低,然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术是一种被动光学遥感技术,可以同时反演气溶胶、多种痕量气体（如NO₂,SO₂,HCHO,HONO等）以及水汽,常用于区域大气立体分布及输送监测,具有成本低、时间分辨率高、稳定、可实时监测等特点。水汽是一种重要的温室气体,在紫外波段反演一些痕量气体时水汽的吸收经常不被考虑,可能对紫外波段痕量气体的反演造成影响,从而产生系统误差。介绍了基于MAX-DOAS对紫外波段大气水汽的反演,于2020年6月1日—9月24日在西安乾县进行观测,通过选取最优反演波段,并将反演结果与可见蓝光波段的水汽进行对比,证实了紫外波段存在水汽吸收,评估了紫外水汽的吸收对同波段痕量气体反演的影响。首先,根据不同拟合波段反演的水汽均方根误差（RMS）以及水汽和O₄的吸收截面情况,选取紫外和可见蓝光波段水汽的最优反演波段分别为351～370和434～455 nm。其次,通过DOAS拟合得到紫外和可见蓝光波段O₄和H₂O的对流层差分斜柱浓度（DSCD）, 分别将紫外和可见波段的O₄ DSCD和H₂O DSCD做相关性分析,两个波段O₄ DSCD的相关系数r=0.85,H₂O DSCD的相关系数r=0.80。为消除不同波段的辐射传输差异,将同波段的H₂O DSCD和O₄DSCD作比值,两个波段H₂O DSCD/O₄DSCD的相关系数r=0.89。紫外和可见蓝光波段H₂O DSCD/O₄DSCD的高相关系数表明,即使在相对沿海城市水汽浓度较低的西安市,在363 nm附近的紫外波段同样存在水汽吸收,这将会对采用DOAS技术在紫外波段反演其他痕量气体造成影响。最后,分别对可能受紫外波段水汽吸收影响的气体（O₄,HONO和HCHO）进行DOAS反演误差评估,紫外波段水汽的吸收将使O₄ DSCD,HONO DSCD以及HCHO DSCD在DOAS拟合过程中增加,分别对应于+1.16％,+8.55％和+9.04％的变化。     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

利用外接CO_2激光源的中红外ATR光谱仪原位无创探测人体血糖浓度

糖尿病是一种严重威胁人类健康的疾病,取血检测人体血糖浓度造成病患痛苦甚至感染。因此人体血糖浓度的无创检测技术在糖尿病的临床诊断、监测和治疗上具有重要的意义,也是一个具有挑战性的热点研究课题。在目前报道的各种测试方法中,中红外光谱测试技术受到了广泛重视。利用常规光源的中红外ATR光谱仪进行无创血糖检测时,由于探测光在人体组织中穿透深度低,难以到达含有体液的间质层乃至含有血液信息的真皮层,结果导致测试数据与人体实际血糖浓度的相关性差,限制了临床应用。考虑到高强、高纯的中红外激光在人体组织中具有较深的穿透深度,且CO2激光器的1 035cm-1的发射光非常接近葡萄糖在1 029cm-1处的基频特征吸收峰,因此本文使用外接CO2激光器作为中红外ATR光谱仪的自定义外接光源,组装了新型中红外测试系统。利用此设备,测试了人手指在1 035cm-1激光辐照下的吸光度,同时利用普通光源扫描了人手指的中红外吸收光谱,记录其在1 492cm-1的吸光度。利用常规医学方法测定了人体实际血糖值。结果显示,人手指处受1 035cm-1激光辐照的吸光度与常规光源的红外光谱中1 492cm-1处吸光度的相对强度与人体血糖浓度同步改变,两波数处吸光度的比值与人体实际血糖浓度具有一定的正相关性(R=0.812 5)。测量结果可作为人体血糖值的一个新型指标,显示了外接CO2激光源的中红外ATR光谱仪在无创探测人体血糖浓度方面的临床诊断潜力。     

基于中红外漫反射光谱的土壤重金属元素含量预测研究

研究了中红外漫反射光谱快速预测土壤重金属元素含量的可行性。以在南京江宁区和八卦洲采集的共161个土壤样品为例,利用偏最小二乘回归(PLSR)法对土壤中Ni,Cr,Cu,As,Zn,Pb,Hg和Cd等8种重金属元素数据进行了预测。通过对样品的中红外(MIR)漫反射光谱进行各种预处理,探讨了中红外光谱数据预处理对预测精度的影响,并比较了中红外光谱与可见光-近红外(VNIR)光谱对土壤重金属含量预测的精度。结果表明,依次经平滑、基线校正、多元散射校正预处理能显著提高中红外光谱数据的预测精度;经校正的中红外光谱对异地样品预测的均方根误差是可见光-近红外光谱的21%～73%,比VNIR波段更能准确预测异地样品中土壤重金属元素含量。研究表明,中红外漫反射光谱可以作为一种快速、非破坏方法预测土壤重金属元素含量,且比可见光-近红外精度高。     

新型车载式拉曼激光雷达测量对流层水汽

水汽体积比仅仅占整个空气的0.1%~3%,但它却是大气中时空变化最为活跃的气体。拉曼激光雷达由于其测量精度高、探测范围广以及自动化程度高,成为现今测量大气水汽含量的新型工具。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所于2004年10月自行研制的国内首台车载式拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量,给出其相应激光雷达数据的反演方法,该激光雷达在合肥地区进行了实际测量和对比实验。测量结果显示:该激光雷达夜晚探测水汽的高度范围可以从近地面到达对流层中部8 km左右。同时,该激光雷达还尝试进行了白天水汽探测实验,并首次得出突变层内的水汽混合比垂直廓线。     

基于仪器线型订正的开放光程FTIR测量中的水汽谱在线扣除方法

水汽吸收分布于整个中红外波段,它的存在干扰红外光谱的定量分析。文章介绍了一种从傅里叶变换红外光谱仪的测量数据中扣除水汽干扰信号的新方法。该方法首先通过气象参数测量获得气压、温度和相对湿度,结合HITRAN数据库中提供的水汽线强、自展宽、空气展宽等参数,使用逐线积分方法计算出高分辨率水汽吸收谱,再通过仪器线型订正,合成出与仪器分辨率相匹配的水汽谱,将其作为干扰组分直接从测量所得到的含有水汽的混合光谱中扣除。对开放光程FTIR系统的实测数据的分析结果表明,使用该方法可以有效消除水汽干扰,扣除后的光谱包含待测组分的吸收特征和噪声。在开放光程FTIR等无法使用干燥设备去水的观测条件下,使用该方法可以达到较理想的水汽扣除效果。     

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。