基于量子级联激光器的红外光谱技术评述

量子级联激光器是一种新型的红外相干光源。利用量子理论与带隙工程,量子级联激光器可实现3 μm到100 μm波长范围内的任意输出波长。由于大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段,而中红外量子级联激光器具有功率高、线宽窄、扫描速度快等独特的优点,因此,基于量子级联激光器的红外光谱技术已成为气体检测技术的研究热点。尤其是,近年来室温激光器性能得到不断的完善,输出功率和电光转换效率得到了极大的提高,这在很大程度上推动了红外激光光谱技术的迅速发展。本文根据工作原理,分别介绍了基于直接吸收谱检测、相位调制光谱检测、光声调制光谱检测和法拉第旋光效应光谱检测的量子级联激光器红外光谱检测技术,并对其实现方法和应用情况进行了介绍。     

基于室温量子级联激光器的脉内光谱技术测量N_2O

中红外激光光源覆盖了大鼍气体的基频吸收带,尤其适合于痕量气体的高灵敏检测.其中具有高输出功率、宽调谐范围、能够在室温工作的量子级联激光器为高灵敏痕量气体检测技术的研究提供了理想的光源.基于脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术提供了一种简单而又有效的测量痕量气体的方法.当一个长激发脉冲作用在激光器上时,激光器的频率随着脉冲持续时间的增加而线性减小,从而在单个脉冲上扫描出被测气体分子的特征吸收谱线,实现对目标气体的定性或者定量分析.介绍了基于分布式量子级联激光器的脉内光谱技术,并采用该技术对N_2O进行了光谱测量.一个500 ns的长激发脉冲应用在脉冲量子级联激光器上用于快速波长扫描,达到接近1 cm~(-1)的线性调谐范围,得到了中心在1 274 cm~(-1)附近的N_2O的吸收谱线,与HITRAN数据库相应的N_2O吸收谱线有着良好的一致性.     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m. 关键词： 量子级联激光器 中红外 多项式拟合 扫描积分     

基于QCL的红外吸收光谱技术的研究进展

量子级联激光器作为一种新型的单极型半导体激光器,其峰值发射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）,具有功率高、线宽窄、响应速率快等传统半导体激光器所没有的独特优势,且具有较高的探测灵敏度,非常适合中红外波段的气体分子的检测。可广泛应用于大气痕量气体、呼吸气体、燃烧气体、生化气体、机动车尾气、工业废气以及农药残留气体等低浓度气体的检测。因此,利用量子级联激光器对气体分子进行探测在非侵入式医学诊断、环境监测以及工农业生产等领域都具有十分重要的意义。自20世纪末量子级联激光器发明以来,室温激光器的性能得到了长足的进步,也出现了多种结构形式的量子级联激光器。这也使得量子级联激光器红外吸收光谱技术得到了很大的发展。事实上,很多光谱技术在量子级联激光器发明之前就已经得到了发展和应用,而利用量子级联激光器作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段,也在一定程度上提高了探测极限。这其中就包括了直接吸收光谱技术、波长调制技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术以及光声光谱等。综述了国内外量子级联激光器进行红外吸收光谱技术的研究现状和发展趋势,分析了量子级联激光器红外吸收光谱技术在发展过程中所遇到的瓶颈以及后期得到的解决方案,比较详细地介绍了各种方法的原理、应用,并指出了在吸收光谱测量中的优缺点,同时对外场痕量气体探测作了简要总结。最后,对量子级联激光器红外吸收光谱技术在未来痕量气体探测上的应用和发展进行了展望,指出随着红外吸收光谱技术的快速发展,这些方法可以得到更有效的改进和发展,进而朝着高灵敏度、高集成度以及高时效方向发展。     

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.     

5.2μm量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量水汽检测

高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数,气体中残余水汽含量即使是ppbv量级也会对产品质量产生影响。气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线,在该区域对水汽含量进行检测十分必要。宽调谐范围、高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展,推动了该区域红外光谱检测技术的发展。首次在中红外波段,采用5.2μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置,并开展了痕量水汽检测实验。通过阿伦方差分析系统噪声水平,确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。根据HITRAN数据库,模拟实验条件下1 905~1 925cm~(-1)范围内水汽的吸收截面,选取最佳的检测谱线位置。在常压和室温下,对1 918cm~(-1)附近的水汽吸收光谱进行测量,测定高纯氮气中的痕量水汽浓度,检测结果与标称值一致。在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8ppbv。分析结果表明,中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m.     

基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测

解析大气中HONO和N₂O₄的光化学循环及其来源,需要对其质量分数进行准确测量,而质量分数测量的前提是吸收线参数的准确度量。采用7.8μm室温连续量子级联激光器和长光程多次反射吸收池对实验产生的HONO和N₂O₄气体进行了同时测量,确定了两种气体的吸收线频率。根据已知的1280.4 cm^-1处trans-HONO的吸收线强,计算得到trans-HONO的质量分数为(0.72±0.04)×10^-6,相应的系统最低检测限为(11.15±0.50)×10^-9。利用中红外量子级联光谱技术同时对HONO和N₂O₄进行分析研究,所得到的谱线参数也为HONO和N₂O₄质量分数的实时监测、化学反应过程的分析等提供了重要的依据。     

基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测

由于工业监控和环境检测的需要,甲烷气体检测日益得到人们的关注。研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术,并应用于痕量甲烷的检测。自主研发的DFB-QCL室温工作时的激射波长在7.6μm附近,覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83cm-1。待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中,DFB-QCL的工作频率为234Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80mW。中红外光经过甲烷吸收后,产生的声波信号经麦克风检测,由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理。按信噪比为1计算,得到甲烷的探测极限为189nmol.mol-1。     

基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究

中红外为分子的基频吸收波段,可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制技术(WMS)的光谱检测方法,研究了消除气体间交叉干扰的方法,并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统,进行101m开放式测量实验,实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量,检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9,验证了实验系统和实验方法的可行性,为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。     

Pulsed Gas Jet for Large Size Atomic Cluster Production

１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｍｕｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅｉｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｍａｔｔｅｒｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｈｉｒｐｅｄｐｕｌｓｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＣＰＡ）ｈａｖｅａｐｅａｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ１０１４～１０１９Ｗｃｍ－２ａｎｄｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎｓｈｏｒｔｅｒｔｈａｎ１００ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ［１,２］．Ｔｈ…     

Pulsed Gas Jet for Large Size Atomic Cluster Production

A pulsed gas jet of large size noble gas atomic clusters as targets for high intensity femtosecond laser pulses is reported. The jet can work for gas stagnation pressure in excess of 40 atmospheres and with a repetition rate of 10 Hz to fit 10 Hz table-top terrawatt femtosecond Ti∶Sapphire laser. The scaling law indicates that the monomer argon clusters produced in the jet can be as large as 22,000 atoms/cluster at room temperature. Preliminary experiments for argon ionic kinetic energy spectrum indicated that the argon clusters are produced in the jet.     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法

针对高压环境吸收谱线加宽以及波分复用技术合波透射信号分析测试难题,提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解.建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系,解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用过程合波后光谱信号的分离与诊断.通过仿真验证该方法的可行性,分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响.搭建实验台实现了1—10 atm变压力环境下6330—6337 cm~(-1)波段CO_2吸收光谱叠加信号的诊断分析,对气液两相脉冲爆轰过程中7185.6 cm~(-1)与7444.35 cm~(-1)波段波分复用光谱信号进行测试与拟合,无需分光设备实现了耦合光路分离和温度计算,研究结果对激光吸收光谱技术在高压环境以及燃烧环境下波分复用技术的发展具有重要意义.     

非链式脉冲DF化学激光器反应动力学模型

依据非链式脉冲氟化氘(DF)激光器的反应机理, 采用速率方程理论, 综合考虑了基态DF分子、D₂分子、D原子、F原子对激发态DF分子的消激发作用, 建立了非链式脉冲DF激光器反应动力学模型. 运用Runge-Kutta法对该模型进行数值计算, 得到了增益区内各组分粒子数密度随时间的变化关系. 进而运用该模型研究了工作气体配比和输出镜反射率对DF激光器腔内光子数密度、 单脉冲能量、脉冲宽度和输出功率的影响, 得到了最佳气体配比和最佳输出镜反射率参数. 采用放电引发方式对非链式DF激光器进行了实验研究, 实验测得脉冲波形及单脉冲能量与速率方程理论模型计算结果基本一致. 本文的研究结果可为非链式脉冲DF激光器的优化设计提供理论参考. 关键词： 脉冲DF激光器 动力学模型 速率方程 数值计算     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快，大气污染监控已受到广泛关注，为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统，并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法，通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正，提高吸光度信号的准确性，再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中，获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明，在500 K温度下，不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%，通过参数判断后再进行光谱提取和修正，得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度，实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

基于激光布里渊散射的高速气流测试技术

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象,其散射谱特征参数（频移、线宽）取决于散射角和散射介质压强、温度等参数,通过探测高速气流激光布里渊散射谱,可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理,设计了一种基于法布里 珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置,搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明,通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。