Optical heterodyne Herriott-type multipass laser absorption spectrometer

We present a Herriott-type multipass laser absorption spectrometer enhanced by optical heterodyne detection. The proposal is demonstrated by measuring the spectra of water vapor molecule in the region from 12247.6873 to 12249.6954 cm-1. Compared with direct absorption spectroscopy, the signal-to-noise ratio is improved nearly one magnitude of factor by combining with the optical heterodyne spectroscopy and extra weak absorption lines are observed. The minimum detectable absorption is estimated at 4.36×10-8 cm-1 and the measured line shape dominated by Doppler broadening can be precisely recovered by direct transformation of experimental optical heterodyne spectral profile.     

铁合金中微量钛元素的激光诱导击穿光谱研究

采用激光诱导击穿光谱对铁(Fe)合金中的钛元素(Ti)的含量进行测量。实验中激光器在最大能量输出(50 mJ),延时为1 μs时光谱信号的强度值最大。在此条件下,分别使用传统定标法和Fe Ⅰ 438.35 nm及Fe Ⅰ 427.12 nm两条谱线的内标法对铁合金中的Ti进行定量分析。内标法得到的拟合相关系数(r)分别为0.997 8和0.993 9,优于传统法得到的r(0.956 3)。提出了一种双谱线平均内标法,拟合得出r为0.998 4。同时,在浓度为0.063%～1.9%的范围内传统定标法测量的相对误差为23.7%,内标法的相对误差为6.0%,采用平均内标法后相对误差降为3.9%。最后,通过测量的Ti光谱计算了激光能量为50 mJ时所产生的等离子体温度为6 654.3 K,电子密度为1.072×1022 cm-3,并讨论了激光能量与烧蚀产生等离子体温度之间的关系。     

亥姆霍兹线圈轴线磁场计算机测量实验研究

亥姆霍兹线圈产生的磁场具有广泛的物理应用。利用霍尔传感器件,研究制作了具有USB2．0数据通讯接口的高速磁场数据测量装置,编写了磁场数据采集处理程序,设计了中心距可调的亥姆霍兹线圈并用所研制的仪器进行了轴向磁场分布测量。结果表明：该实验装置测量精度高,实时性好,实验手段先进,可扩展为多个设计性物理实验。     

高斯光束菲涅耳圆孔衍射轴上的光强分布

本文从惠更斯－菲涅耳原理的数学表达式出发，在菲涅耳圆孔衍射的情况下求出了高斯光束入射时轴上光强分布的解析表达式，并对比平面波和球面波入射的情况进行了分折讨论．     

基于Herriott型长程池的光学设计的研究

提出了一种改进的Herriott型长光程模拟装置,该装置由平面反射镜和凹面反射镜组成,具有等效光程长和便于光路调控的优点.本文讨论了光束直径、镜面尺寸、旋转角度、和镜面反射率对光程和光路调节的影响,并利用ABCD矩阵变换方法分析了系统的稳定性.理论模拟计算了基长为0.6m的装置实现144 m有效光程传输所需的参数和结果.     

超高斯光束截割对多级电离产额的影响

针对光强为超高斯分布的激光束被圆孔截割的情况计算了聚焦区的光强度分布,给出了依赖于激光强度的理论电离体积,并由此研究多光子电离过程中多级电离的电离产额对激光强度的相关性.作为例子,计算了焦点处1013—1016Wcm-2强度范围内Xe的多级电离产额.结果表明:随着超高斯光束截割的增加,电离产额在饱和区呈现出明显的起伏和抑制效应.当超高斯光束的阶数n增加到一定程度(如n>2)或对大的截割条件(ρa=1),电离产额曲线的形状对n的依赖性将变得“迟钝”.计算给出的电离产额曲线上的这种起伏和抑制有可能用于解释已经 关键词： 超高斯光束 截割 多级电离     

一种螺旋型的紧凑多光程池

随着社会经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染时有发生。利用光谱技术测量有害气体的浓度,可以对空气进行实时监测。在弱吸收条件下,利用多次反射池可以增加有效光程,从而提高吸收光谱的探测灵敏度。基于Herriott型多光程池的结构,提出了一种紧凑型多光程池。该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成,入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播,形成有规律的放射状分布,光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径,光斑呈螺旋形分布。实现了入射光和出射光的分离,从而增加了光路的可调空间。由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比,可以根据实际需要选择合适的光程。另外,该反射池的主体是一个圆筒,具有稳定的机械性能和一定的抗震性。利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性,通过模拟发现光束通过透镜后,焦点会聚在圆筒中心附近,能使入射光斑在池中收敛,并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。还研究了在不同入射角条件下的旋光特性,发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。当入射角相同时,旋转角度随着反射次数的增加而增大。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计

可吸入颗粒物浓度是大气环境监测中的一项重要指标。在Mie散射消光原理的基础上,采用三波长方法并结合了分布式函数算法设计了可精确测量大气中可吸入颗粒物浓度的检测仪器,计算了Mie散射效应中消光因子的光谱依赖关系,在数据处理中对光谱时域信号进行积分从而消除了光谱多峰效应所产生的误差。此检测仪气路部分可实现可吸入颗粒物(PM2.5和PM10)的双通道采集。利用激光光纤将三种不同波长的激光通过耦合器(3合1)耦合进一个光纤后通过样品池,衰减光进行分离后进入光电探测器,由电路模块对探测到的光信号进行转换、数据处理、显示和存储, 并通过3G无线网络实现数据的远程传输和共享。该仪器可以实现可吸入颗粒平均粒径和浓度测量。通过实验验证了检测仪的各项性能指标,数据表明该检测仪的灵敏度为0.01 μg·m-3,响应时间约为90 s,适用于大气中可吸入颗粒物浓度的实时检测。     

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87 ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85 Torr时的CO气体,结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324 s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38 s,探测极限为47.8 ppmv。