中红外腔衰荡光谱技术的研究进展及应用

中红外基频指纹吸收谱具有吸收强、谱线宽且密集的特点。通常吸收红外光谱的气体分子在3000cm^(-1)附近的中红外基频吸收强度比近红外吸收高约2个数量级,因此逐渐成为腔衰荡光谱(CRDS)技术的研究热点。简述了CRDS技术的工作原理及技术优势,介绍了中波红外CRDS技术特点并分析对比了近红外与中红外波段的CRDS技术差异,论述了基于中红外波段的CRDS技术研究现状,最后基于应用研究进展对其前景进行了展望。

基于光腔衰荡光谱技术NO_(3)和N_(2)O_(5)在线测量系统的表征与应用

报道自主研发的基于光腔衰荡光谱技术的大气NO_(3)/N_(2)O_(5)在线测量系统及其参数表征结果。在时间分辨率为1min的情况下,NO_(3)和N_(2)O_(5)最低检测限分别为1.7×10^(-12)和2.9×10^(-12)。在采样流量6L/min和使用1天滤膜的情况下,利用标准源实验确定NO_(3)和N_(2)O_(5)的采样损耗分别为17.0%和18.0%。Allan方差分析结果表明,在60~100s积分条件下可获得较好的系统稳定性。在北京城区开展大气NO_(3)和N_(2)O_(5)观测,结果表明测量系统可以满足大气环境中NO_(3)及N_(2)O_(5)的高灵敏度测量。

基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统研制

^(14)C是核反应放射性流出物中最受关注的放射性核素之一,核设施产生的^(14)C主要与CO_(2)标记,因此对^(14)CO_(2)气体进行在线检测具有重要意义。本研究采用腔衰荡光谱技术(CRDS),以CO_(2)为研究对象,选取^(14)CO_(2)吸收谱线的中心波长2 209.11 cm^(-1)附近检测^(14)CO_(2)的吸收光谱。采用中红外波段量子级联激光器、光学谐振腔、合理的光路设计和气体管路设计,研制基于中红外腔衰荡光谱的CO_(2)检测系统。并采用研制的系统检测不同浓度的CO_(2)(0.5%~1.3%)进行验证。结果表明,待测气体浓度与衰荡时间的倒数之间呈线性相关,证实研制的中红外腔衰荡光谱系统可行。该系统成功实现了对不同浓度CO_(2)气体在中红外波段下的精准测量,使用中红外腔衰荡技术测量得到^(14)CO_(2)的吸收光谱。为未来激光光谱快速原位检测^(14)CO_(2)研究提供了重要的技术支持。

LabVIEW在腔衰荡光谱检测系统中的应用

腔衰荡光谱技术(Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS)具有高精度和高灵敏度,是一种常应用于微量气体浓度检测的方法,而采用这项技术的关键就是衰荡时间的准确获取。本文为此设计一种基于LabVIEW的腔衰荡信号在线处理系统,实现对衰荡信号的实时采集、平均、拟合、显示和保存。采用外部调制二极管激光器和高反腔搭建CRDS装置,获取实际的衰荡信号,用该系统处理测得的衰荡信号与其他软件的处理结果对比。实验表明,所编写的在线腔衰荡信号处理系统,可实现对衰荡时间的准确获取。

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景。

空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测仿真

为了更准确地分析空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统,建立了考虑系统噪声的气体体积分数传感理论模型。采用该模型对空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统的性能进行了仿真和讨论。结果表明,利用空域无源光纤腔衰荡传感技术,通过测量衰荡距离,可实现灵敏度高达56.226 km^(-1)的乙炔体积分数的测量,稳定性达0.47%,检测极限达260.577×10^(-6),且稳定性和检测极限还可通过减少光纤腔的固有腔损耗得到进一步的提高。此研究对于体积分数传感系统的优化设计应用具有理论指导意义。

光纤腔衰荡光谱与太赫兹波谱技术检测气体研究现状与展望

气体浓度的实时在线精确测量在人类健康、生命安全、环境保护、资源有效利用及大气遥感探测技术等方面有着十分重要的意义。本文首先介绍了光纤衰荡光谱技术检测气体浓度的最新研究进展;接着分析了太赫兹波在气体浓度探测中应用的优势、可行与局限性;最后对太赫兹波腔光纤衰荡光谱技术测量气体浓度技术方法和应用前景做了展望。

光腔衰荡光谱技术应用于痕量气体检测的研究进展

光腔衰荡光谱(CRDS)技术在对痕量气体的检测技术中占有重要的地位。对基于光腔衰荡光谱技术的痕量气体检测相关研究进行了综述,分析了光腔衰荡光谱技术的相关工作原理及技术特点。介绍了CRDS痕量气体检测在大气环境、生物医学、燃烧化学等方面的研究进展以及存在的问题;总结了CRDS痕量气体检测的发展趋势。

光腔衰荡光谱技术用于OH浓度测量的误差分析

光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS)是一种高灵敏度的吸收光谱测量技术,在燃烧场激光光谱诊断领域里是一种十分重要的燃烧产物定量测量手段。文中研究了光腔衰荡光谱技术用于燃烧产物定量测量的原理,搭建了脉冲型光腔衰荡光谱技术实验系统,选取OHA2Σ+-X2Π(0,0)电子跃迁带的P1(2)吸收线谱,在常压条件下对平面火焰的OH浓度进行了定量测量,并对激光器线宽及线型、激光器的频率稳定性、火焰温度、光腔参数等因素对测量误差的影响进行了分析讨论。误差分析给出了光腔衰荡光谱技术的几个关键注意事项,可为光腔衰荡光谱技术的应用提供指南。

光反馈腔衰荡光谱技术中的数据处理(英文)

在光反馈式腔衰荡光谱技术中，光谱数据的处理因一种特殊的光谱纹波现象而变得困难。以6590．8～6591．6ClIl-1光谱范围内水汽分子的光反馈式腔衰荡光谱为基础，根据光谱纹波效应的特性分析结果，提出了一种简单的数据处理方法。利用该方法确定了6590．871cm^-1处水汽分子吸收谱线的线宽约为0．1003cm^-1，这与Hitran数据库提供的线宽结果仅有0．002cm^-1的误差，充分验证了该方法的有效性。

光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的测量及其特性分析（英文）

为研究光反馈腔衰荡光谱技术中纹波效应的产生机理,基于所建立的腔长为49.1cm的V型微晶玻璃衰荡腔在不同环境、不同光谱范围所测得的腔损耗谱,利用数据处理方法详细分析并讨论纹波效应的周期和振幅等典型特征。分析认为,纹波效应呈现出明显的部分干涉特点,光谱纹波的周期和振幅特性分别受折叠腔结构和折叠腔镜表面污染状态影响,而与光谱扫描区域关系不明显;这表明纹波效应主要来源于折叠腔镜表面散射场的部分干涉效应。

基于腔衰荡技术的光纤双环路一氧化碳浓度监测系统研究

对光纤环形腔技术的传感原理进行了理论推导,并设计了一种双环路一氧化碳浓度测量系统.分析了掺铒光纤放大器在系统中的作用及其增益波动对系统的影响,通过对掺铒光纤放大器的增益进行反馈控制,进一步了提高了测量系统的稳定性和精确性.通过实验,得出了不同浓度的一氧化碳所对应的衰荡曲线.分析了不同浓度的气体对光的吸收特性及衰荡时间与浓度的关系,为实现气体浓度的高准确度在线测量提供了重要的依据.

基于光子晶体微腔和光纤环形衰荡的微力传感器

提出一种基于光子晶体微腔的高灵敏度的微力测量方法.首先,提出一种M型结构的梁作为传感探头,使系统在受到微力作用时,仅有光子晶体微腔的空气孔折射率发生变化而引起谐振波长的漂移,极大地提高了传感器的线性度和测量范围.然后,对微纳环结构的光子晶体微腔结构进行优化设计,获得了品质因子高达7 100的微腔.最后,选择合适的实验器件及其特性参数,搭建基于光纤环形衰荡的波长解调系统,实验结果表明该系统的波长解调灵敏度为90μs/nm,所设计的微力测量系统的灵敏度可达194.616μs/μN.

基于光纤环形衰荡腔的甲烷传感研究

提出一种基于腔衰荡光谱技术的新型光纤甲烷传感方法,与传统的甲烷传感方式相比,它可以通过测量信号的相位移动来测量气体的浓度。实验中采用了环形的光纤结构,避免了小型渐变折射率透镜构成的微型气室产生的二次噪声,提高了系统的灵敏度。结果表明,该系统可以应用于低浓度气体的在线检测。

基于光纤腔衰荡光谱的浓度和温度测量

为了提高浓度和温度测量的灵敏度和稳定性,采用时域分析法监测光纤系统中的光损耗,研制了基于光纤环形腔衰荡光谱的传感系统。基于该系统对浓度和温度进行传感测量实验,分析了错位传感结构的参量选择,并研究了空载时腔内信号放大对脉冲强度和脉冲数量的影响。结果表明,当干涉长度L和错位量D分别为4cm和3.75μm时,干涉效果最优;脉冲强度是无腔内放大时的4倍且脉冲数量更多;当蔗糖和葡萄糖溶液浓度为0.100g/mL^0.400g/m L时,浓度灵敏度为756.51μs/(g/mL)和909.07μs/(g/mL),检测限为0.0014g/mL;当温度为30℃~200℃时,温度灵敏度为1.83μs/℃。该系统的设计和研究为浓度和温度的传感应用提供了有价值的指导。

连续波腔衰荡光谱技术中模式筛选的数值方法

连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量中多模衰荡的产生是严重影响痕量气体测量灵敏度的重要因素.本文针对衰荡腔内无光阑或光阑滤模不彻底的CRDS装置,通过分析腔误调时的能量耦合规律以及受关断时间影响的衰荡过程,提出阈值选择和拟合度判定两种非光阑模式筛选方法,利用数值方法达到抑制多模衰荡及筛选基模衰荡(优衰荡)的目的.首先对CW-CRDS实验中平均采样和单次采样模式下出现的多种衰荡类型进行了归纳分析,发现可以通过单次采样数据预测多次采样的测量结果,实验结果与预期一致.解决了CRDS实验"平均"和"拟合"的先后顺序问题.在此基础上,利用优衰荡出现概率满足二项分布模型的特性,建立了优衰荡出现频率随触发阈值变化的概率模型,用于选择合适的触发阈值.实验表明提升触发阈值可以有效地抑制多模衰荡,使测量灵敏度提升约一个数量级.随着触发阈值的提升,通过优衰荡得到的Allan方差将趋于一个定值,但是衰荡过程获取时间将逐渐延长.因此,在CW-CRDS检测中触发阈值应设置在保证全部衰荡过程均为优衰荡的最小阈值处.之后,采用拟合度判定法对实验数据进行了筛选.最后给出了两种方法的适用范围,拟合度判定法虽然简单但局限性较大,阈值选择法可适用于腔误调程度不严重的情况.

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10^(-9)cm^(-1)(2 s平均).

基于光纤腔衰荡技术的液体挥发过程监测法

提出一种基于光纤腔衰荡系统并以一小段包层腐蚀光纤作为传感头的液体挥发测量方法,同时搭建相应的实验装置进行了实验研究.从模式理论出发分析单模光纤传输模场的能量分布,并采用有限元法数值模拟光纤端面能量的分布,结果表明:包层越细的单模光纤对应越大的消光系数,即泄露出来的倏逝波能量越大,从而对外界环境更敏感,但是较细包层的单模光纤存在的损耗更大.综合分析得出腐蚀光纤的最佳直径应为26μm,最佳腐蚀长度为1cm.通过实时监测衰荡谱的衰荡时间变化,得到了30℃恒温环境下,乙醇与丙三醇混合溶液中乙醇浓度随挥发时间的变化曲线.实验结果表明,混合溶液中乙醇的浓度随挥发时间呈单指数规律衰减,该变化规律与理论分析相符.由于液体浓度与其折射率成正比,随着乙醇的挥发,混合溶液的折射率逐渐接近光纤包层的折射率,使其对腐蚀光纤纤芯中泄漏的倏逝波能量的吸收程度逐渐增大,环腔的衰荡时间也相应逐渐减小.此外,该监测方法在常温下具有较低的温度交叉敏感性.

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量

文章基于腔衰荡光谱技术,利用甲烷光谱吸收峰R(3),对大气中的甲烷浓度进行了测量。结果表明,尽管在测量波长附近,H2O的吸收截面远小于CH4,但仍对甲烷浓度测量仍具有一定影响。实验测得环境大气中甲烷浓度约为2ppm,略高于大气甲烷浓度的平均值。

用光腔衰荡光谱技术测高反镜的反射率

本文根据光腔衰荡光谱技术原理，建立了一套测镜片反射率的装置。选用的镜片是在636 nm的反射率大于99.9%，曲率半径为1 m的平凹镜。通过得到衰荡时间，从而计算出一对相同高反镜的反射率。本实验测得反射率为99.959%，相对偏差在10-5。实验表明此方法可以适用于高反镜反射率的精确测量，且重复性良好。