基于微型多次反射腔的TDLAS二氧化碳测量系统

海气界面CO₂测量对于海洋科学研究具有重要意义,在目前的海洋CO₂测量仪器中,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的设备因灵敏度高、环境适应性强等特点受到关注。TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。针对海洋CO₂脱气量小且灵敏度高的测量需求,自主设计了一套微型多次反射腔,用于TDLAS系统的CO₂测量。该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、焦距为50 mm的球面反射镜,以38 mm的腔长实现了253次反射,获得了约10 m的光程,封装后的样品池体积仅有90 mL。基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO₂气体浓度测量系统,通过标准气体对该系统进行了测试,检测限约为26×10-6,不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪(UGGA)进行了对比测量,结果表明二者在白天CO₂浓度波动较大和夜晚CO₂浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性,R2大于97%。实验结果证明了系统性能,下一步将优化试验装置并进行现场应用。     

基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器（特邀）

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积,设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管,覆盖二氧化碳分子在4 989.9 cm^-1处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外,为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明,采用该传感器,系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^-6,而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^-6,提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测,并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测,证明了仪器的稳定性。     

多光程吸收的频率调制光谱

采用可连续调谐的半导体二极管激光器作探测光源,将多光程吸收光谱技术、频率调制光谱技术和相敏检波技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和分辨率的测量气态分子光谱和进行微量分析的研究装置并利用该装置研究了动态分压强为40Pa和120Pa时,H₂O分子在7462cm^-1和7473cm^-1附近的近红外吸收光谱,检测灵敏度远高于传统吸收光谱技术,为气态分子的光谱研究和微量分析提供了一种高灵敏度的光谱检测方法.     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

基于DFB型半导体激光器的腔增强吸收光谱研究

介绍了用DFB型可调谐半导体激光器做光源的腔增强吸收光谱(TDL-CEAS)技术.简要介绍了腔增强吸收光谱的发展和实验设计,从法布里-珀罗腔的角度解释了腔增强吸收光谱的有效吸收路径,阐述了腔增强吸收光谱具有高灵敏度的主要原因是腔内介质能够获得很长的吸收光程;用中心波长为1.573μm的DFB型可调谐近红外半导体激光器做光源,用两块高反射率平凹透镜(1.573μm附近,反射率约99.4%,凹面曲率半径为1 m)组成的光学谐振腔做吸收池,采用同时扫描激光和谐振腔的方法,在34 cm长的吸收池内测得了CO2分子在1.573μm附近的弱吸收谱线,探测灵敏度达1.66×10-5cm-1.实验结果表明,腔增强吸收光谱具有灵敏度高、分辨率高、实验装置简单、易于操作等优点.     

可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境下气体温度,探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景,在模拟热真空实验过程中,首先将真空气室浸没于恒温槽中,然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度,同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度,试验结果表明:TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性,两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过±0.2℃。     

基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析

研制了一套基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的开放式长光程甲烷(CH4)浓度实时监测系统,系统采用波长调制和二次谐波探测相结合,并利用光强归一化的方法消除光强波动对测量结果产生的影响,实验证明采用消除光强波动的方法后使测量结果的误差小于2%.然后利用该系统在往返750 m的光程上,对合肥市董铺岛进行了为期1周的大气CH4浓度测量.测量结果表明董铺岛CH4浓度有明显的H变化趋势,白天浓度低,夜间浓度高,日平均浓度(1.8～3.4)×10-6,H最小值(1.8～2.2)× 10-6 ,日最大值(3.0～3.4)×10-6.通过分析,可实现1～2 km范围的空气中CH4浓度的实时在线监测,为生态系统的区域排放通量监测提供了有效的方法,也为卫星遥感提供了可行的地面校准方法.     

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.     

基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析,这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经被用于大气痕量气体监测以及工业控制。在对空气中的痕量气体进行检测中,由于气体浓度较低,需要和长吸收光程技术相结合。将可调谐二极管激光吸收光谱与经过108次反射后达到27 m光程的多次反射池相结合研制了用于地面环境空气中甲烷含量监测的便携式吸收光谱仪,并结合了用于微弱信号检测的二次谐波检测技术,从而达到了体积分数低于1×10-7的检测限,并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试,得到了很好的测试结果。     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

Characterization of X‐ray gas attenuator plasmas by optical emission and tunable laser absorption spectroscopies

X‐ray gas attenuators are used in high‐energy synchrotron beamlines as high‐pass filters to reduce the incident power on downstream optical elements. The absorption of the X‐ray beam ionizes and heats up the gas, creating plasma around the beam path and hence temperature and density gradients between the center and the walls of the attenuator vessel. The objective of this work is to demonstrate experimentally the generation of plasma by the X‐ray beam and to investigate its spatial distribution by measuring some of its parameters, simultaneously with the X‐ray power absorption. The gases used in this study were argon and krypton between 13 and 530 mbar. The distribution of the 2p excited states of both gases was measured using optical emission spectroscopy, and the density of argon metastable atoms in the 1s₅ state was deduced using tunable laser absorption spectroscopy. The amount of power absorbed was measured using calorimetry and X‐ray transmission. The results showed a plasma confined around the X‐ray beam path, its size determined mainly by the spatial dimensions of the X‐ray beam and not by the absorbed power or the gas pressure. In addition, the X‐ray absorption showed a hot central region at a temperature varying between 400 and 1100 K, depending on the incident beam power and on the gas used. The results show that the plasma generated by the X‐ray beam plays an essential role in the X‐ray absorption. Therefore, plasma processes must be taken into account in the design and modeling of gas attenuators.     

基于光纤耦合长光程LED-DOAS技术的大气NO_2测量研究

大气中NO2的含量在10-9量级。研究了一种以发光二极管(LED)为光源的光纤耦合长光程差分吸收光谱(DOAS)系统,用于测量大气NO2。对比了四种不同类型和波段的蓝光LED,确定以中心波长451nm的CREE宝蓝LED为测量光源。在0.8km的测量光程、2min的测量时间分辨率的情况下,在445nm~465nm光谱反演波段内得到NO2的探测限为3.36×10-9。利用系统对大气NO2的浓度进行了一整天的连续观测,通过对吸收光谱的分析计算,反演出的大气NO2浓度在(7~31)×10-9之间变化。测量结果表明,将光纤耦合技术与LED光源的长光程DOAS系统相结合后,可实现大气NO2的高灵敏、高时间分辨率探测。     

Calculation of the Ratio Between the Second and First Harmonic Signals in Wavelength-Modulation Spectroscopy for Absorption Measurement

The dependence of the ratio between the second and first harmonic signals in wavelength-modulation spectroscopy is calculated for the precise absorption measurement that is applied to gas sensing. In the calculation, the amplitude modulation of the laser is considered as well as the frequency modulation. First, the dependence of signals on peak optical depth is discussed for the Lorentzian and Gaussian lines. Next, the dependence of signals on gas concentration is calculated in a weak absorption-limit. Finally, a numerical example is explained taking into consideration both peak optical depth and gas concentration.     

基于可调谐激光的CO监测仪的不确定度评定

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)对CO气体的浓度进行测量,应用整体二次谐波最小二乘法对测量信号的实验数据进行反演处理。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术, 对CO在线监测仪测量结果的不确定度来源进行了分析, 采用直接评定法对各种因素引起的不确定度分量、标准不确定度和合成不确定度进行了评定。实验结果表明, 仪器示值引入的不确定度、标准气体浓度定值的不确定度以及环境温度变化和电源电压波动引入的不确定度是影响测量不确定度的主要因素。     

Nd:YAG板状激光器的理论和实验研究

本文对Nd:YAG板状激光器进行了理论和实验研究。给出了板状介质在重复率泵浦和连续泵浦情况下的温度分布和应力状态的解析解,对板的热效应进行了分析与讨论。并用一块9×30×70mm~3的Nd:YAG板状材料,对其热效应进行了测量与分析。实现了“之”字形光路板状激光器的高重复率运转,在50Hz时,输出能量约600mJ,平均功率30W。     

低频波长调制光谱的理论与实验研究

通过调制半导体激光外腔压电陶瓷的电压实现低频波长调制 ,并慢扫描激光器的波长 ,测量了CS 原子D2线 [6S1 2 (F =4)→ 6P3 2 ]的吸收光谱 ,利用锁相放大器处理了二次、四次、六次谐波信号 ,实验结果与理论分析相吻合 ,在实验过程中还发现高次谐波探测可以有效地提高探测信号的信噪比     

晶体硅太阳电池金属电极光学损失的理论分析与实验研究

本文基于丝网印刷和丝网印刷后光诱导电镀太阳电池,分析了太阳电池前表面金属电极引起的光学损失的各种情况.考虑到空气-玻璃界面和金属电极两侧边缘区域的反射,通过将金属电极截面近似为半椭圆形模拟了电极的光学损失,计算得到的有效宽度比约为金属电极几何宽度的40%.通过对不同类型样品反射谱的测量计算,同时在理论模拟和实验测量上得到了太阳电池前表面金属电极的光学损失,相应的理论与实验结果相符合. 关键词： 光学损失 有效宽度比 光诱导电镀 反射谱     

基于LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术探测HONO和NO2

介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO₂. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360—390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO₂/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了 HONO和NO₂的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO₂的探测灵敏度(1σ) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.