腔增强吸收光谱技术中镜片反射率的标定

为确定光学腔内高反射率镜片的反射率随波长的变化,分别采用不同气体瑞利散射的差异性和已知浓度的吸收气体对同一对高反射率镜片的反射率随波长变化曲线进行标定.结果表明：高反射率镜片在359~380nm光谱区间内反射率曲线为0.99962~0.99990,两种方法标定结果的相关系数达到0.998,具有较高的一致性.用腔增强吸收光谱实验装置与商用氮氧化物分析仪同时对实际大气NO2进行测量,验证了镜片反射率标定的准确性.

烟雾箱内甲烷气体的腔增强吸收光谱

用DFB半导体激光器作光源的腔增强吸收光谱(CEAS)技术测量了烟雾箱中甲烷气体在近红外波段的光谱吸收,获得了烟雾箱内甲烷气体在1315 nm附近的吸收光谱;将测得的光谱数据与Hitran 2004数据库给出的光谱参数做了比较,发现了几条尚未被Hitran 2004数据库收入的甲烷分子的新谱线;同时对CEAS技术定量测量烟雾箱内甲烷气体的能力和稳定性做了研究.结果表明,CEAS技术完全可以用来测量烟雾箱内甲烷气体的吸收光谱,可以作为烟雾箱检测方法的一种补充.

基于标准样品回归算法和腔增强光谱的NO_(2)检测方法

腔增强吸收光谱技术作为一种高灵敏的痕量气体测量技术,其吸收光谱的浓度反演是极其关键的环节.为消除因吸收截面和仪器响应函数的不确定性引入的测量误差,本文提出了一种基于标准样品吸收光谱的浓度回归算法,该方法在浓度反演过程上进行优化,采用标准气体样品吸收光谱直接拟合未知浓度气体吸收光谱.采用中心波长在440 nm处的蓝色发光二极管(LED)作为光源,建立了一套非相干光腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统,实测腔镜反射率为99.915%,利用NO_(2)气体的实测吸收光谱对该算法的有效性进行了验证.与常规吸收截面回归算法比较,结果表明本文提出的标准样品回归算法具有显著的优越性,测量精度提升约4倍.利用改进的算法结合标准样品配制的多个NO_(2)气体对实验系统性能进行了深入评估,测量结果与理论值具有很好的一致性.Allan方差分析显示在积分时间为360 s的情况下,NO_(2)检测限可达到5.3 ppb(1 ppb=10^(–9)).

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。系统采用了发射中心波长为3.6μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3599.08 nm的甲醛吸收峰上。实验发现,谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化,导致系统失去锁定,产生测量误差;为了抑制这一现象,提高系统的准确性和抗干扰性,采用了动态PDH锁定技术,通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制,使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化;通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号,通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。为了验证检测系统的有效性、评估系统的性能,采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、系统标定实验和稳定性实验。实验结果显示,在0~10 mL·L^(-1)范围内,腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系;通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L^(-1),积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L^(-1)。此外,通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径,进一步降低检测下限。该系统灵敏度高、响应速度快,具有较好的抗干扰性和长期稳定性,在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。

谐振腔对光波的动态响应

本文将谐振腔视作线性时不变系统,借鉴线性系统信号处理的方法,考察了谐振腔对光波的动态响应,得到相应的数学解析描述,该方法可以适用于任意形式的注入光波.从这个角度分析,传统的脉冲腔衰荡光谱技术实际上是考察谐振腔的冲激响应,而连续腔衰荡则是考察谐振腔的阶跃响应.此外,针对注入光波长缓慢变化的特殊情况,考察了谐振腔对频率线性啁啾光波的响应,并获得了解析形式的数学描述.在此情况下,谐振腔输出的光功率信号的频谱包含了腔内光谱的信息,利用本文的数学描述,可以很容易地从信号频谱反推出待测光谱.据此,提出了一种谐振腔增强光谱测量的新方法,称为频域腔衰荡光谱.本文的研究成果可以应用于各种类型的谐振腔增强光谱,也可以应用于基于谐振腔的各类光学技术,比如P-D-H激光稳频技术.

基于高精度比例积分微分温控的宽带腔增强大气二氧化氮探测技术

本文介绍了一种基于高精度比例积分微分(PID)温控的宽带腔增强大气二氧化氮(NO_(2))探测技术。系统选取中心波长为460 nm的LED光源作为探测光,入射端利用双胶合透镜的直接聚焦代替传统的光纤取样耦合,结合基长为322.4 mm的高灵敏度谐振腔,实现了小型化高精度的NO_(2)监测。针对温度波动会引起LED光源光谱漂移及光强改变的问题,本文提出了一种改进型PID-卡尔曼滤波算法,实现了LED温度的快速稳定调节,耗时仅需~2 min,温度的波动范围是±0.015℃,极大降低了LED温漂对探测性能的影响。仪器性能评估结果显示,在~2.15 km的有效吸收光程下,实现了81×10^(-12)的探测灵敏度(5 s, 1σ);不同体积分数的NO_(2)对比测试表明,本系统能准确测量大气NO_(2),进一步验证了系统的稳定性和准确性。

基于波长调制腔增强吸收光谱技术的CO体积分数测量

基于腔增强吸收光谱(CEAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术,搭建了腔增强光谱测量系统,并采用该系统实现了CO体积分数的测量。实验中使用中心波长为2.3μm的分布式反馈激光器作为光源,以反射率为99.8%的两片高反镜构建了基长为30cm的光学腔,达到了147.15m的有效吸收路径;在此基础上,利用4297.705 cm^(-1)处的CO吸收谱线作为传感目标,实现了对CO的探测。利用CO体积分数不同的CO+N_(2)的混合气体对系统的测量准确度进行验证,结果显示,测量值与参考值大小基本吻合,测量误差约为0.2%,证实了所搭建系统的测量准确性。利用体积分数为3×10^(-6)的CO气体的二次谐波信号对系统的探测极限进行了分析,得到系统对CO的探测极限为138×10^(-9)。

用于近红外宽带腔增强吸收光谱的小波去噪

为了有效抑制检测系统的噪声,提高气体浓度的反演精度,研究了近红外宽带腔增强气体传感系统的小波去噪方法。小波去噪方法的优化分析结果表明,选择db2小波函数作为小波基对含噪信号进行6级分层处理,并选择heursure阈值估计方法,采用局部阈值方式对噪声部分小波系数进行置零处理,可达到最优去噪效果。将近红外宽带腔增强吸收光谱技术与高分辨率傅里叶变换红外光谱仪相结合,建立了用于甲烷检测的气体传感系统,使用最小二乘拟合算法对去噪前后的甲烷吸收系数进行反演。结果表明,采用小波去噪后,反演浓度更接近真实值,反演精度提高7%,信噪比提高90%,系统检测下限降低45%,证明小波去噪算法可以有效提高系统的检测精度。

利用光参量振荡器测量腔内增强吸收光谱(英文)

利用光参量振荡器(OPO)实现了腔内增强吸收光谱(CEAS)。实验使用了线性吸收腔。利用压电陶瓷对吸收腔的反射镜进行扰动,得到光的输出。通过测量乙烷(C2H6)在2996.9μm附近的CEAS,确定了系统的检测灵敏度。在总的腔镜反射率为98.5%的情况下,系统的最小可检测吸收系数为2.3×10-5cm-1,相应的C2H6的测量极限为690ppb。