基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气浓度测量研究

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,利用氧气在760 nm波段的吸收谱线对氧气浓度进行实时在线测量。研制了基于TDLAS直接吸收技术的氧气检测系统,采用压控放大器设计了自动增益控制模块,实现了对光谱信号幅度的精确控制,解决了现场测量中信号幅度波动的问题;采用归一化洛伦兹函数实现Voigt函数的近似计算,并结合Levenberg-Marquardt非线性拟合算法实现了对光谱吸光度曲线的快速Voigt线型拟合,以适应实时在线检测需要。实验结果表明,该算法可以实现吸光度曲线的Voigt线型拟合,对固定浓度的氧气进行连续测量得到系统的最低检测限为523×10~(-6)m,系统的标准偏差为1.75%。检测系统稳定可靠,满足实时在线氧气浓度检测应用。     

Er:YAP晶体多波长激光运转及偏振特性研究

研究了b轴10 at.%Er∶YAP晶体的偏振吸收和输出特性以及多波长激光运转特性。首次测量了Er∶YAP晶体的偏振吸收光谱,结果显示晶体对偏振方向平行于a轴和c轴的偏振光在~4I_(11/2)能级对应的吸收峰附近的最大吸收系数分别为4.606 3 cm~(-1)(975.2 nm处)和2.936 6 cm~(-1)(967.6 nm处),因此选择合适波长的线偏振光作为泵浦光有利于提高晶体对泵浦光的吸收效率,从而改善激光性能;在氙灯泵浦的激光实验中,自由运转条件下实现了2 710,2 728,2 795和2 918 nm等4条谱线的激光输出,并分别研究了各谱线的偏振特性和起振的阈值特性。通过在谐振腔内加JGS石英片、云母片、 K9镜片等选择性吸收片分别实现了2 918 nm单波长, 2 710,2 821,2 837和2 862 nm等四波长和2 710 nm单波长的激光输出。测量了自由运转和不同选择性吸收片条件下的激光光谱,并与不同选择性吸收片的透过谱及之前报道的荧光光谱进行对照分析,证明通过调节谐振腔能够对Er∶YAP晶体中的起振谱线进行选择。偏振激光实验结果表明除谱线2 918 nm是偏振方向平行于a轴的线偏振光,谱线2 728 nm有时是偏振方向平行于c轴的线偏振光,有时又是偏振椭圆长轴平行于YAP晶体a轴的部分偏振光外,谱线2 710和2 795,2 821,2 837和2 862 nm均为偏振方向平行于c轴的线偏振光;在LD端面泵浦条件下,得到2 710,2 728,2 750和2 795 nm四条谱线的激光输出,其中谱线2 750 nm首次在Er∶YAP晶体中实现激光输出,这四条谱线均为偏振方向平行于晶体c轴的线偏振光;此外,首次测量了该晶体在8 K低温下的吸收光谱,利用Gauss函数对光谱进行分峰拟合,根据拟合结果对激光上下能级各斯塔克子能级进行了能级指认,并结合Er∶YAP晶体激光光谱、荧光光谱对可能的谱线跃迁进行了辨认。Er∶YAP晶体偏振特性和多波长讥光运转特性的研究以及对后续Er∶YAP晶体调Q等技术的实现和电光调Q晶体的选择具有一定的指导意义。     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

6611-6618cm~(-1)之间氨气光谱线强的测量

在可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术中,目标气体分子的吸收光谱参数,尤其是线强对温度、浓度的精确反演测量具有重要作用.HITRAN/GEISA/HITEMP等数据库中的光谱参数包含理论计算的结果,与实际情况存在相当的误差.本文采用TDLAS-波长扫描直.接吸收技术测量了室温下氨气在6611—6618 cm~(-1)之间的吸收光谱,利用Voigt线型多峰拟合方法获得了20条谱线在不同压强下的积分吸光度值,将获得的不同压强下的积分吸光度值进行线性拟合计算测量温度下的线强值,同时通过不确定度分析及误差传递计算了实验钱强值的不确定度.通过与HITR.AN 2012数据库中值进行对比,得出氨气在6611—6618 cm~(-1)波段实验线强值与数据库中值相差0.51%—17.28%,且实验线强值的不确定度在0.81%—3.3%范围,小于HITRAN2012中线强的不确定度5%—10%范围.     

基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建.设计了气体浓度温度二维分布重建测量系统,采用四路波分复用技术以减少投影光路布置数量和增加气体吸收测量信息.针对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组,将遗传算法与模拟退火算法相结合进行求解,在实现全局最优搜索基础上提高算法搜索效率.建立燃烧环境下H2O浓度温度二维分布模型,借助于近红外波段1.3—1.5μm范围内4条H2O气体吸收谱线,利用数值模拟计算方法进行了气体分布重建,重建结果与模型符合得很好.通过在投影数据中添加不同比例的随机误差,考察其对气体分布重建结果的影响.研究表明,气体浓度分布重建结果对于投影误差不敏感,而增加投影误差幅值将导致温度分布重建均方误差增大。     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用

为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO_2气体浓度,对NO_2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05nm的λon激光测量了NO_2气体在3 410～3 433nm的吸收光谱,计算得到其吸收截面,采集分析了NO_2在291K、308K、363K三个温度下的光谱特性,用谱线宽约为10nm的λoff激光采集了3 400～3 435nm的吸收谱线.测量结果表明,在3 410～3 433nm波段,温度和吸收截面值呈负相关,测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上;针对λoff激光下的吸收谱线,采用了改进的卷积修正方法,测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上,拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差,验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.     

基于多角度投影激光吸收光谱技术的两段式速度分布流场测试方法

针对具有明显速度梯度的非均匀流场速度分布在线测试难题,提出了基于多角度投影的激光吸收光谱多普勒速度分布测试方法,利用多角度投影吸收光谱信息低频能量相对变化对两段式速度分布区间长度与对应速度值进行耦合求解.建立不同投影角度下吸收光谱平均频偏值与不同速度区间频偏差值之间的函数关系,提出了基于傅里叶变换的光谱信号低频能量变化分析方法,解决了不同速度梯度条件下光谱信号微弱变化检测难题.采用7185.6 cm~(–1)波段H_2O特征谱线结合三条投影光路实现了对于两段式速度分布模型的快速重建,研究了投影角度以及不同幅值噪音对速度分布计算的影响.分析表明该方法对于具有明显速度梯度的流场中高速区速度值重建结果最佳,相对误差0.9%,同时测量噪音对高速区速度值重建结果影响最小.投影角度增大有利于增强重建方程中不同速度区间光谱频偏差值对速度区间长度比值的灵敏度,提高测量精度.考虑到系统测量空间分辨率限制, 0°, 30°, 60°是较为理想的光路分布角度.研究结果对于推动激光吸收光谱技术在发动机诊断及气体动力学研究中的应用具有重要意义.     

In situ measurement on nonuniform velocity distributionin external detonation exhaust flow by analysis ofspectrum features using TDLAS

Instantaneous and precise velocity sensing is a critical part of research on detonation mechanism and flow evolution.This paper presents a novel multi-projection tunable diode laser absorption spectroscopy solution,to provide a real-time and reliable measurement of velocity distribution in detonation exhaust flow with obvious nonuniformity.Relations are established between overlapped spectrums along probing beams and Gauss velocity distribution phantom according to the frequency shifts and tiny variations in components of light-of-sight absorbance profiles at low frequencies analyzed by the fast Fourier transform.With simulated optical measurement using H2O feature at 7185.6 cm-1 carried out on a phantom generated using a simulation of two-phase detonation by a two-fluid model,this method demonstrates a satisfying performance on recovery of velocity distribution profiles in supersonic flow even with a noise equivalent absorbance up to 2×10^-3.This method is applied to the analysis of rapidly decreasing velocity during a complete working cycle in the external flow field of an air-gasoline detonation tube operating at 25 Hz,and results show the velocity in the core flow field would be much larger than the arithmetic average from traditional tunable diode laser doppler velocimetry.This proposed velocity distribution sensor would reconstruct nonuniform velocity distribution of high-speed flow in low cost and simple operations,which broadens the possibility for applications in research on the formation and propagation of external flow filed of detonation tube.     

基于波长调制光谱技术的线宽测量理论及其应用研究

气体吸收谱线的线宽主要包括碰撞作用引起的洛伦兹线宽和分子热运动引起的高斯线宽, 是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的重要参数. 本项研究在弱吸收条件下, 通过对波长调制法中二次与四次谐波峰值比进行理论分析和仿真计算, 发现无论洛伦兹和高斯线宽如何变化, 二次和四次谐波峰值比具有恒过不动点的特征. 本文基于该不动点提出了一种线宽在线测量的方法, 并以CO₂分子6982.0678 cm^-1 吸收谱线为例进行实验验证. 实验结果表明, 该方法可以精确测量线宽, 进而根据测量得到的线宽确定气体分压和总压, 可有效地提高TDLAS技术在工业现场中的测量精度.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的H2O分子光谱参数测量研究

气体分子吸收谱线的光谱参数是影响吸收光谱测量精度的重要因素,分子光谱数据库中收录的光谱参数大都具有较大的不确定度,用以测量气体温度等参数时会产生较大的测量误差。为了获得可用于燃烧场诊断的H₂O谱线的光谱参数,采用时分复用技术,在温度、压强和H₂O组分浓度可控的环境中对1.4 μm附近的吸收光谱开展了研究。对7 185.60和7 454.45 cm-1两条H₂O谱线的线强度、展宽系数及其温度指数等光谱参数进行测量,实验结果表明,两条谱线的线强度测量值与数据库中的值偏差分别小于2.61%和4.65%,不确定度都小于4%。     

TDLAS直接吸收法测量CO_2的基线选择方法

本文基于可调谐半导体激光吸收谱线(TDLAS)技术的直接吸收测量,选用中心工作波长为1 580 nm的DFB激光器,在室温及大气常压条件下检测了模拟烟气中的CO_2浓度;采用去峰拟合法和纯N2线拟合法获得基线后反算出了CO_2的浓度,并将反算结果进行了对比。结果表明:采用纯N2线拟合法反算出的浓度的最大相对误差为2.64%,均方值为1.69%;采用去拟合法反算出的浓度的最大相对误差为9.81%,均方值为7.81%。以纯N2吸收谱线作基线的纯N2线拟合方法反算出的浓度的准确度较高,可以为CO_2浓度测量的基线选择提供参考。     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

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     

The far infrared continuum absorption of water vapour

The far infrared transmittance of H₂O has been measured in the laboratory. A gas correlation radiometric technique was adopted for comparison with atmospheric H₂O measurements made by the Stratospheric and Mesospheric Sounder on Nimbus 7. Atmospheric paths were simulated in a multipass cell containing pure H₂O and H₂O + N₂ mixtures at various pressures and temperatures. A spectral transmittance model was developed using the simple Lorentz line shape and the HITRAN molecular line database and was compared with the transmittance measurements. The self-broadened continuum absorption, spectrally averaged over a passband centred at 7.85 THz (262 cm^-1), was determined and confirmed the continuum model of Clough et al. The foreign-broadened continuum was smaller by a factor of at least 19.     

TDLAS氧气测量系统中激光器调谐性能测试与优化

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、速度快、灵敏度高、非接触测量等难以取代的优势,成为燃烧过程诊断等应用的首选,可以有效用于氧气测量。DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、功耗低、寿命长、线宽窄、波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择,而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。根据TDLAS氧气测量系统工作要求,采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析,发现出射光谱窄线宽、高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显,电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、调谐速率约0.023 nm·mA-1,温度越高阈值电流越大、PI曲线也并非严格线性,温度调谐特性曲线线性较好、波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显,影响氧气测量精度。温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除,电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。为了进一步解决电流波长调谐非线性问题,根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合,考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合,方案合理、实现简单且不影响测量过程。实验证明,补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm,远小于补偿前的22 pm,效果明显,为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。