结合光学反馈以及光学锁相环的量子级联激光器线宽压窄和频率控制技术研究

中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源,限制了中红外精密光谱的发展.本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术,通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分,再使用光学锁相环将激光频率偏频锁定到另外一个超稳中红外激光源上.通过相位超前电路拓展锁定带宽,系统锁定后,将功率谱中心窄拍频信号提高66 dBm,低频区域相位噪声抑制到-81 dBc/Hz@2 kHz,高频区域相位噪声抑制到101 dBc/Hz@2 MHz,激光器线宽从3.8 MHz被压窄到3 Hz.最终,利用该激光器进行腔衰荡光谱信号的测量,相较于未锁定激光,信号的信噪比提升了5倍.

共轴双脉冲激光诱导击穿光谱等离子体辐射信号的增强机制

双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)在痕量元素的高灵敏探测中发挥着重要作用,有关其信号增强机制已存在有诸多解释,但有必要进一步从等离子体辐射荧光特性、等离子体温度和数密度的空间分布等方面开展深入探讨。构建了基于激光热烧蚀和二维轴对称流体动力学的理论模型,并用它模拟了单脉冲LIBS和共轴双脉冲DP-LIBS激发条件下激光烧蚀铝镁合金产生等离子体及其辐照度的时空演化过程,对比了不同脉冲间隔下谱线强度的增强效果,分析了等离子体温度、各类粒子数密度的空间分布结构以及等离子体的屏蔽效应,并由此阐释了DP-LIBS的光谱信号增强机制。结果表明,共轴DP-LIBS诱导等离子体辐射信号的增强主要源于第二束激光增加了粒子数密度和等离子体温度,而等离子体的屏蔽效应主要出现在靶材表面的羽流层。这一研究为DP-LIBS实验研究和信号增强溯源提供了重要的理论基础,也能够帮助科研人员快速准确地优化DP-LIBS实验装置参数。

高重频声光门控自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术分析研究

为了消除激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中的自吸收效应,提高元素定量分析的精确度,同时满足工业中便捷分析元素的要求,需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术(self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy,SAF-LIBS)的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术,使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度,并将声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)作为门控开关,从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器(intensified charge coupled device,ICCD)和中阶梯型光栅光谱仪,实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积,降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后,对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明,等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1~50 kHz激光重复频率范围内,Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱,确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下,Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小,在45°处信噪比最高,且在一定的积分时间下,最佳光学薄时间t_(ot)为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下,对Al元素进行定量分析和预测结果表明,Al元素定标曲线的线性度R2为0.982,平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽,同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点,有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.

钾原子中由四波、六波混频过程产生的相干辐射

当双光子共振激发钾原子于６Ｓ能级时，由光泵受激辐射，串级受激辐射参与的四波、六波混频以及电离复合的布居过程，产生了位于可见区的诸多相十辐射，文中对混频机制进行了分析和讨论，并对所测得的相干辐射进行了标识。

钾分子2~3Π_g→a^3Σ_u~＋辐射跃迁的荧光寿命测量

本文介绍了用Ｂｏｘｃａｒ测量分子激发态荧光寿命的方法，测量了钾分子２３ΠΣ→ａ３Σｕ＋辐射跃迁的寿命，计算机模拟的结果与实验基本符合。

气体峰值吸收系数随压强变化关系的理论分析

峰值吸收系数对于污染气体的定量分析以及分子参数的理论研究等都具有非常重要的意义。文章首先从理论上分析了气体的吸收系数α(ν) ,得出计算α(ν)的一般方法。其次通过分析甲烷 2ν3 带R3支吸收线 ,得出峰值吸收系数α(ν0 )随压强的变化关系 ,得到压强在 <0 0 3和 >2atm时 ,可分别用Gauss线型和Lorenz线型来计算峰值吸收系数 ,理论上得到很好的结果 ,并对结果进行了误差分析。最后讨论了单位长度峰值吸收κ(ν0 )随压强的变化关系 ,分析得出气体压强在 <0 1和 >

利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于 6 10 5. 36 94cm-1处的弱吸收线的高次谐波 ,并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制 ,用VisualBasic 6. 0编制了一套通信应用程序 ,界面友好。实验结果与理论分析相吻合 ,充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波 ,能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测 。

激光诱导击穿光谱实验装置的参数优化研究

为了使激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置中的多个关键参数达到最优化设置,以便更好地服务于煤质分析,实验中对这些参数与煤粉等离子体中待测元素发射谱线信噪比间的关系进行了详细研究,并根据信噪比大小来进行最优化参数的选择。实验结果表明,对于本LIBS实验装置,其最优化参数设置是将激光脉冲能量设为120 mJ.Pulse-1,光谱仪的曝光延迟时间设为200 ns,激光聚焦点位于样品表面以下3～5mm,样品池转速设为2.7 r.min-1,并在激光出射光路中放置中心频率为1 064 nm的窄带滤波片和中心孔径为1.5 mm的光阑。优化后的LIBS实验装置对煤粉中C元素测量的标准偏差(SD)由6.7%降至1.6%,对其他微量元素测量的相对标准偏差(RSD)由28%降至10%,测量精度得到了较大提高。

靶材料BRDF现场模拟测量

介绍一种利用频率调制光谱技术 ,在自然环境光下进行材料双向反射分布函数 (BRDF)的测量方法 用该方法对若干墙面靶材料的反向散射双向反射分布函数进行了测量 ,并给出了被测材料的BRDF拟合函数参量 测量环境模拟了以墙面材料为反射靶的激光现场遥感探测气体测量环境 。

光后向散射法测烟尘浓度的实验研究

设计了一套具有高灵敏度的利用光后向散射法测烟尘浓度的装置,不仅具有实时、在线、连续测量等优点,而且价格低廉、便于安装·通过理论分析获得散射光强与烟尘浓度的关系,并通过自行设计的测量装置测量了不同烟尘浓度下的散射光强,验证了理论的正确性并获得了描述后向散射光强的电信号强度与烟尘质量浓度关系的曲线·实验结果证明在烟尘浓度较低时,后向散射光强与烟尘浓度有很好的线性关系·

硅雪崩二极管光子辐射特性的实验研究

利用计数统计测量的方法,对工作在击穿状态下的硅雪崩光电二极管(APD)光子辐射的暂态特性以及计数统计特性进行了实验研究将APD辐射光子的计数统计曲线与相应Poisson、热光场进行比较。

基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器的实验

针对目前传统瓦斯传感器的缺点,借鉴现有的红外气体分析器的设计思路,研制了基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器.它采用开腔气室结构及单光束双波长探测技术,在实验室里通过对不同浓度的甲烷气体进行测量得到了其浓度反演式.在实验测量中,当瓦斯浓度小于22%时,误差为0.1%;当瓦斯浓度超过22%时,误差小于1%.

基于LIBS煤中碳元素定量分析研究

详细介绍利用激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)进行煤中碳(C)元素含量定量分析的技术和手段。通过对光谱数据进行积分、归一化、筛选等处理,克服了由于激光源能量起伏、自吸收及样品表面粗糙度等因素引起分析精度差的缺点。该方法已应用到激光煤质在线分析仪中并取得了满意的分析结果,对煤粉中C元素含量分析的标准偏差不大于1.6%,其方法同样可用于煤中其他元素的分析。

基于LabVIEW的激光诱导击穿光谱谱线识别软件研究

介绍了自主开发的LIBS谱线识别软件,基于LabVIEW虚拟仪器开发平台,利用二次微商和阈值判定对LIBS谱数据进行降噪、寻峰,并通过参考NIST原子光谱数据库,确定了多种常见元素的特征波长,可以自动识别元素谱线,实现了对样品所含元素种类的定性分析。该软件系统定性分析元素简单、快捷,具有一定的实用性及推广价值。

激光诱导击穿光谱精确测定燃煤工业分析指标的研究

燃煤工业指标的在线精确分析对于指导燃煤工业优化生产、降低燃煤煤耗至关重要。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析燃煤煤质时,因受我国复杂多样煤种所导致的"基体效应",测量精度有待提高。实验中对激光诱导燃煤等离子体光谱至燃煤工业分析指标转化过程中的光谱预处理和定标建模方法进行了优化选择。实验结果表明,利用单/多峰Lorentzian光谱拟合计算谱线强度相比于传统计算方法,谱线强度RSD均值可由12.1%降至9.7%;对于核函数参数寻优,相比于网格参数(Grid)和遗传算法(GA),粒子群算法(PSO)的平均绝对误差(MAE)最小;采用PSO参数寻优式支持向量机(SVM)回归建模的预测均方根误差(RMSEP)小于偏最小二乘回归分析法(PLS);采用单/多峰Lorentzian光谱拟合方法和PSO参数寻优式SVM回归建模,对燃煤工业分析指标预测的平均绝对误差(AAE)为:灰分为16%~30%时AAE为1.37%,灰分大于30%时AAE为1.77%,发热量为9~24 MJ·kg-1时AAE为0.65 MJ·kg-1,挥发分低于20%时AAE为1.09%,挥发分大于20%时AAE为1.02%。

基于1.6μm甲烷气体吸收线的半导体激光器频率稳定性分析

利用波长调制技术以及数字PI控制器将外腔二极管激光器(ECDL)稳定到1. 6μm处的甲烷气体吸收线上 稳定后的激光频率波动小于5. 6MHz,相对于自由运转时的160MHz有了很大提高, 而误差信号的Allan方差均方根(即稳定度)在平均积分时间为64s时达到最小值1. 66×10-11 从理论上定性分析了频率稳定度受到的各种限制因素,最后得出本实验中频率稳定度主要受频率调制和探测器噪声限制的结论,同时给出了提高频率稳定度的方法

石英晶振用于石英增强光声光谱系统的优化实验研究

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEFAS)的探测灵敏度影响。测试了国内外十种不同音,结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm^(-1))时获得更高的灵敏度,探测信号的强度相差高达50%。在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中,发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响,但是当光束以角度Φ斜入射时,更多的噪声被带入到测量中。在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响,发现随着污染物的附着,石英音叉的频率会呈现降低的趋势,提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法,为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能,这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。