TDLAS光学多通池痕量气体监测研究进展

可调谐二极管激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,简称TDLAS)因灵敏度高、选择好、响应快而被广泛应用在环境污染气体检测、工业过程控制和医疗诊断等领域。光学多通池是提高TDLAS探测灵敏度的有效方法,本文对White型、Chernin型、Herriott型、Astigmatic型等常用光学多通池的结构、原理、优缺点和应用现状进行了分析,并根据污染气体测量的需求指出了光学多通池的未来发展方向。

1·31μm附近CO_2的高灵敏度吸收光谱

采用可连续调谐半导体二极管激光器作为探测光源，将长程多通池吸收光谱、波长调制和谐波探测技术相结合，建立了一套具有高检测灵敏度和高分辨率的测量气态分子光谱及进行微量分析的研究装置。可以测量6．67×10^2Pa下～10^-27cm^-1·（molecule·cm^-2）^-1的强度，最小可探测吸收达到～10^-8。并利用该装置测量了CO2气体在1．31μm附近的近红外吸收光，并用最小二乘法拟合实验数据获得这一波段谱线的参数。同时测量的谱线参数与HITRAN数据库相比，发现15条数据库上没有报道的弱谱线。

基于红外TDLAS技术的高精度CO_(2)同位素检测系统的研制

对天然气分布监测,高精度地检测CO_(2)同位素是非常重要的。采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过^(13)CO_(2)/^(12)CO_(2)在4.3μm处的吸收谱线,实现高精度CO_(2)同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲镉汞(MCT)探测器组成。针对^(13)CO_(2)和^(12)CO_(2)两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO_(2)气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.999 6。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.013 9‰,具备实际应用价值。

光学气体吸收池在吸收光谱技术中的发展与应用

综述了光学气体吸收池在可调谐半导体激光器吸收光谱技术(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy,TDLAS)领域中的应用和发展。通过介绍多种类型吸收池,包括White型、Herriott型、矩阵型以及它们的改进型等吸收池的结构和原理,对现有吸收池的优缺点进行了分析。根据TDLAS技术的发展需求,指出了光学吸收池小型化、易操作、高稳定性和同时测量多种气体的发展趋势。

新型光学吸收池的设计与数值模拟

为解决传统光学吸收池无法同时满足高光斑密度要求和低制造成本要求的问题,根据传输矩阵理论,提出了一种基于球面镜和柱面镜组合的新型吸收池设计。通过数值计算模拟,分析了吸收池内光束传输次数与结构参数、镜面旋转以及出射光斜率之间的关系。结果表明球面镜和柱面镜组合具有较好的抗干扰性能。给出了一种基长为65 mm、光程长为10 m的吸收池设计例子。该吸收池干涉效应较小,所占体积仅为0.29 L,适用于吸收光谱学等应用。

COIL束转动90°环形非稳腔(UR90)的准直技术

采用束转动９０°环形非稳腔（ＵＲ９０）是使低增益激光器获得高功率及良好光束质量的极有效方法，本文阐述了这种腔采用一台Ｈｅ－Ｎｅ激光器提供导引光的准直技术。

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。

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4989.9 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。

多径腔增强激光诱导击穿光谱用于合金中痕量元素的高灵敏检测

激光诱导击穿光谱(LIBS)在合金表面痕量元素分析领域具有重要的潜在应用价值,尽管LIBS甚至是双脉冲LIBS(DP-LIBS)已具有很高的检测灵敏度,但对部分元素的检出限(LOD)仍无法满足某些应用需求。为了进一步降低DP-LIBS的LOD,提出了一种共心多径腔(CMC)增强DP-LIBS(CMC-DP-LIBS)技术,使双脉冲激光中的再加热激光在CMC腔室内经多次反射和会聚来持续加热等离子体,充分利用再加热激光的能量,最终实现光谱信号和检测灵敏度的提升。对锌样品表面Mn元素检测的实验结果显示,CMC-DP-LIBS较正交再加热DP-LIBS的LOD降低了63%,说明了CMC-DP-LIBS确实大幅提升了LIBS的检测灵敏度,提升了LIBS在合金表面痕量元素分析中的应用价值,特别是对样品烧蚀及损伤有特殊需求的应用领域。

用于激光吸收光谱技术的新型平面镜光学多通池的设计与分析

提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成,相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池,此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层,这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触,减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染,从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力,利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的White池与Herriot池(体积约为700 cm^(3),约经过80次光反射),仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积(约236、393、422 cm^(3))分别实现62、100、99次光反射,并提供14.64、40、42.57 m的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大,其比值分别为100、62、101 mm^(-2),表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。

一种用于SO_3光谱测量系统中光程池的设计

光谱测量方法作为新型SO_3检测方法,呈现出了高灵敏度、稳定、可靠、准确等优点。光程池作为系统的重要部件,影响着整个系统检测性能。论文依据SO_3的化学特性,采用Herriott池结构原理,设计出了针对于SO_3中红外气体检测系统的光程池结构,通过光路追迹,分析光束传输次数,最后确定了在0.25m长的基础上实现了11.5m的光程,且具有耐腐蚀、光路简单稳定、易调节的特点,适用于光谱测量法的应用。

基于Chernin型光学多通池的一氧化碳和二氧化碳测量系统研究

光学多通池被广泛应用于吸收光谱气体的检测,以增长光路和提高检测灵敏度。本文使用连续可调谐二极管激光器作为光源,结合长程吸收以及波长调制技术,探测了在1.571μm附近,光程长为28.8m的Chernin型光学多通池中的一氧化碳和二氧化碳的吸收光谱,并利用Allan方差分析了系统的性能。结果表明,系统的探测灵敏度可达6.064ppm,此外,利用该系统实现了的大气中一氧化碳与二氧化碳的浓度的同时探测,得到大气中的二氧化碳浓度为244ppm。

Chernin型多通池用于烟雾箱光化学反应过程的实验研究

将Chernin型多通吸收光谱系统与光化学模拟烟雾箱系统相结合,用于烟雾箱内痕量气体的探测,系统的准确性及可靠性通过NO2的测量进行验证,NO2的探测结果与Thermo 42i型NO-NO2-NOx分析仪的测量结果呈较好的线性关系。对烟雾箱内β-蒎烯/O3/SO2体系化学反应过程中SO2的摩尔分数做了在线测量,在36m的吸收光程内,SO2的探测极限为22.2×10-9。研究结果表明,该Chernin型多通吸收光谱系统具有定量测量能力,能够用于烟雾箱内光化学反应过程中痕量成分的实时在线测量。

基于柱面镜光学多通池的CH_4高灵敏度探测

光学多通池被广泛应用于吸收光谱气体检测中,用来增加吸收光程,提高探测灵敏度。提出了一种由两块圆型柱面镜构成的光学多通池,其结构紧凑,镜面有效利用率高,相比传统相同基长的多通池可实现的光程有很大的增加。通过调节前后两柱面镜的间距和相对旋转角度,可得到不同的光斑分布,实现不同的光程。实验中使用1.653μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,采用直接吸收光谱方法对CH4气体进行了探测,在气体有效吸收光程为13.8 m的情况下,检测极限达到了0.68μmol/mol,并利用该系统实现了大气中的CH4探测。

基于多通单元的高能量耗散孤子锁模光纤振荡器

为了在有限抽运功率条件下探索基于大模场面积光子晶体光纤的耗散孤子锁模振荡器的能量提升潜力,本文利用多通单元将基于掺镱大模场面积光子晶体光纤锁模振荡器的腔长延展,消除了有限抽运功率的限制,使得该系统能够在较低平均功率水平下获得更高的单脉冲能量.实验上构建了重复频率低至15.58MHz的高能量光子晶体光纤锁模脉冲振荡器,并通过分别使用6nm带宽和12nm带宽的两种不同带宽的光谱滤光片,能够直接输出平均功率分别为3.73W和4.9W的啁啾脉冲,对应单脉冲能量分别为239nJ和314nJ.经过光栅对去啁啾后,最窄脉冲宽度分别为56fs和75fs,对应峰值功率均超过3MW.

同轴放电激光器热效应对多程室腔模式的影响

讨论了同轴放电激光器内放电介质热效应对具多程室的多程折叠胜、多程环形腔运行模式的影响。