基于离轴积分腔输出光谱技术的二氧化碳测量

利用1.573μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,搭建了一套基于离轴积分腔输出光谱(ICOS)的二氧化碳(CO_(2))气体检测装置。选取CO_(2)在6358.65 cm^(-1)处,线强为1.732×10^(-2)3cm^(-1)/(molecule·cm^(-2))的吸收谱线,测量了密封腔体内400×10^(-6)的CO_(2)直接吸收信号。实验结果表明在镜片反射率为99.98%和60 cm腔长内,实现了2.4 km的有效光程,系统的线性度为0.996。通过长时间测量密封腔体内的CO_(2)直接吸收信号,根据Allan曲线分析得到系统最佳积分时间为98.3 s,最小可探测极限为0.63×10^(-6)。最后,实验室环境测试实验结果表明室内CO_(2)浓度值变化符合实验室人员活动作息规律,验证了测量装置的可靠性和稳定性,同时为室内CO_(2)排放管理提供实用的科学依据。

中红外波长调制离轴积分腔输出光谱技术应用于OH自由基高灵敏度探测研究

将波长调制技术与离轴积分腔技术相结合,建立了波长调制离轴积分腔输出光谱实验装置,增加吸收光程,避免低频的1/f噪声和与波长无关的背景功率的影响,将其应用于OH自由基探测研究。探测激光器选择2.8μm中红外室温型连续波分布反馈式二极管激光器,OH自由基选择3568.52 cm^(-1)处Q(1.5e)跃迁谱线开展光谱探测,在512 m有效吸收光程和100 s采样时间下,实现了OH自由基1.2×10^(8)molecule/cm3的探测极限。实验研究发现,在弱透过光强下,激光器放大的自发辐射对吸收系数测量影响大,本实验装置下造成了约70倍的吸收低估,需要有效避免。

基于射频噪声源下的离轴积分腔输出光谱技术中腔镜反射率标定研究

离轴积分腔输出光谱技术具有实验装置简单、灵敏度高、响应时间快等特点,常被应用于一些超高灵敏度的气体探测领域。高反射率镜片作为系统的重要组成部分,其反射率是影响整个光谱系统测量准确性的重要因素之一。结合射频噪声源搭建了一套离轴积分腔输出光谱测量系统,首先以CH_(4)气体在6046.96 cm^(-1)处的吸收谱线作为研究目标,对不同压力下有无噪声源时的腔镜反射率进行了标定研究,结果表明在有无噪声源两种不同条件下标定的镜片反射率具有一致性,而且反射率随着压力的增加有降低的趋势,计算得到的镜片最高反射率约为0.99992。进而对有无噪声源时0.4μmol/mol浓度下的CH_(4)测量信号进行了研究,发现引入噪声源后,虽然降低了信号的峰值高度,但信噪比提高了约1.3倍,最小可检测浓度为0.0045μmol/mol,表明该系统可有效用于大气环境以及工业应用过程中的CH_(4)高灵敏度测量。

白噪声扰动在波长调制离轴积分腔输出光谱技术中的应用研究

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法,这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中,以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声,同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响,进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。首先,详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响,并对吸收谱的线宽进行了分析,计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。随后,研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。结果表明,随着扰动噪声功率的增加,基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。对几组2f信号的信噪比进行分析,确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。最后,研究了0.05~2.2×10^-6浓度范围内,甲烷浓度与2f信号之间的对应关系,结果表明:在甲烷浓度小于1.0×10^-6时,甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6;在甲烷浓度为0.1~2.2×10^-6时,甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系,二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。此外,对浓度为2.2×10^-6的甲烷气体进行了长时间的测量,并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析,分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s,系统的可探测极限约为1.2×10^-9。最后,使用建立的甲烷气体探测系统,对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测,结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升,浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10^-6范围内,平均浓度为2.14×10^-6。本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考,对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。

离轴积分腔输出光谱技术在变压器油中甲烷气体检测中的应用

研究变压器油中溶解的甲烷(CH_4)气体的高灵敏光学检测方法。基于离轴积分腔输出光谱技术,利用分布反馈半导体激光器实现了一种CH4的离轴积分腔输出光谱检测装置。该装置对CH_4的检测灵敏度达到4.1u L/L,为变压器油中CH_4的在线监测设计提供了参考。

用于离轴积分腔输出光谱的非对称拟合算法设计

目的:研究离轴积分腔光谱技术(OA-ICOS)在实际应用中快速的激光扫描造成吸收谱线非对称,而传统的线型拟合函数无法满足,导致拟合误差大,测量精度低的问题。方法:介绍了一种基于OA-ICOS的非对称拟合算法用于拟合非对称吸收谱线,提升测量精度。该算法从OA-ICOS的原理出发分析导致谱线非对称的原因,并结合Voigt线型函数引入非对称特征,获得含非对称因子的谱线拟合函数。结果:在实验中,分别设置激光扫描频率为50 Hz、150 Hz、300 Hz时,利用Voigt拟合算法得到的吸收峰中心位置偏移量分别为4×10^(-3) cm^(-1)、4.8×10^(-3) cm^(-1)、6.2×10^(-3) cm^(-1),使用非对称拟合算法得到的吸收峰位置偏移仅分别为2.4×10^(-3) cm^(-1)、2.4×10^(-3) cm^(-1)、1.5×10^(-3) cm^(-1)左右。结论:在快速激光扫描频率下,该算法能够更准确地拟合非对称吸收光谱信号,从而提高了拟合精度。

高灵敏度离轴积分腔输出光谱技术

利用离轴积分腔输出光谱技术,采用同时扫描激光和谐振腔腔长的方法,使用分布反馈布拉格二极管激光器探测了1.573μm附近CO2的吸收光谱,得到很好的信噪比和灵敏度,探测灵敏度达到4×10-8cm-1(信噪比为2,1 s积分时间)。用非线性最小二乘拟合吸收谱线方法对积分腔输出光谱已经不再适用,会造成自加宽系数变宽为实际自加宽系数的2.39倍左右,对空气加宽系数测量影响较小。为了得到正确的谱线线宽参量,应该对吸收系数进行拟合,该结论从理论和实验上得到了证明。

基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4气体的探测极限为8.7×10^(-7),相应的最小的可探测吸收为2.2×10^(-6) Hz^(-1/2)。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。

基于积分腔输出光谱技术的痕量气体分析仪

基于积分腔输出光谱技术(ICOS)的痕量气体分析仪具有结构简单、维护方便、响应速度快、灵敏度高、测量精确等突出优势。在介绍ICOS基本原理的基础上,介绍了仪器的性能特点和组成结构。实验显示该仪器具有小于±1%的线性误差和长时间稳定性。检测下限在1 000次内部平均时达到250 ppb。

积分腔输出光谱技术及其应用综述

积分腔输出光谱(ICOS)技术是最近几年迅速发展起来的一种高精细腔吸收光谱技术。在介绍了积分腔输出光谱技术原理的基础上,推导了ICOS技术用于检测痕量气体时的理论公式,介绍了在ICOS技术中使用的波长调制光谱技术。指出了ICOS技术在环境监测方面的优势,包括装置简单、有效吸收光程长、检出限低、测量精度高等,而且给出了影响ICOS探测灵敏度的因素。最后综述了ICOS技术在痕量气体监测中的应用,指出了ICOS技术的发展趋势。

再入射离轴积分腔输出光谱干涉噪声处理方法

离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)技术具备灵敏度高和环境鲁棒性强等优点。引入再入射方法后,OA-ICOS的信号功率得到有效提升,缓解了探测灵敏度高度依赖光源功率的问题,让使用低功率光源和高反射率腔镜搭建高灵敏度OA-ICOS成为可能。但由于该方法特有的光学结构,探测信号中往往掺杂较为强烈的干涉噪声。针对干涉问题,设计并搭建了一套再入射OA-ICOS装置,测量了实际大气CO2,对再入射结构引入的噪声进行了分析,提出了扰动再入射结构的应对方法.结果表明:扰动方法使噪声信号幅值由原来的467.3 mV降低为61.2 mV,降低了7.63倍。该方法成本更为低廉,且实现更容易。

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式(DFB)激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH_(4)/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度(NEAS)为3.67×10^(-7)cm^(-1)·Hz^(-1),系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1275~1368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。

积分腔输出光谱技术腔镜反射率标定研究

论文设计了一套用于增强氧气吸收的积分腔光谱测量系统,并利用长光程吸收参考池对积分腔的腔镜反射率进行了标定。在大气环境中,使用13144.58cm^(-1)氧气吸收谱线,通过加载不同扫描频率,同时测量积分腔和长光程参考池的输出吸收信号,通过比较二者的吸收率推导出镀膜腔镜的反射率。测量结果表明,在760nm波长附近,腔镜反射率测量平均值为0.9881,标准差δ=6.04×10^(-5)。通过测量得到反射率得出光学腔有效吸收长度并反演氧气组分浓度,验证了反射率测量的准确性和实验系统的可行性。

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.

基于高灵敏激光吸收光谱技术的稳定气态同位素测量及其应用(特邀)

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO_(2)气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H_(2)O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO_(2)判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

离轴积分腔增强红外激光二氧化碳传感系统

基于离轴积分腔输出光谱技术,设计并研制了一种红外二氧化碳(CO2)传感系统.采用中心波长为1572 nm的分布式反馈激光器,选择6359.96 cm-1处CO2的吸收谱线作为目标谱线.研制的谐振腔长度为60 cm,测得的有效光程为1200 m.采用波长调制光谱技术与直接吸收光谱技术分别测量CO2的吸收光谱,前者测得的光谱信号的信噪比为130,优于后者的信噪比80.将波长调制光谱技术与离轴积分腔技术相结合,利用LabVIEW软件提取二次谐波信号的幅值.利用配备的气体样品,开展了传感器标定、稳定性及动态响应性能测试等实验.使用纯氮气(N2)进行了稳定性测试,艾伦方差表明,当平均时间为96 s时,系统的检测下限为5.1×10-6;当气体流速为500 sccm时,实验测得的响应时间小于20 s.利用该系统开展了连续16.5 h的大气CO2浓度在线实时监测和人呼出气体中的CO2含量检测,均呈现出较好的性能.该系统具有易操作、响应快、灵敏度高等优点,未来可广泛应用于大气环境检测、医疗诊断等方面.

基于光功率放大离轴腔增强光谱技术的甲烷碳同位素测量

使用中心波长为1658.7 nm的可调谐半导体分布反馈式(DFB)激光器,基于离轴积分腔光谱(OA-ICOS)技术,对激光器调谐范围内的甲烷稳定碳同位素分子13CH4和12CH4的光谱进行同时测量。选取光纤耦合助推光放大器(BOA)实现激光器输出光功率的有效放大,在保证积分腔的模式噪声不变的情况下,提高了探测器的可探测光功率,显著增加了有效光程长度,进一步提高了测量结果的信噪比。最后,通过对体积分数为500×10^(-6)的CH4标准气体进行长时间测量,当平均时间达到663 s时,同位素δ(13C)的探测极限达到0.56‰。该技术可为大气环境下甲烷中碳稳定同位素的测量提供参考。

基于实时反射率修正的离轴积分腔甲烷测量系统

针对大气CH4浓度测量中的H2O干扰以及高反镜反射率的标定问题,提出了一种波长调制离轴积分腔测量系统中反射率实时标定的方法,并结合CH4浓度免标定反演修正算法解决了CH4浓度测量中H2O干扰的问题,实现了大气CH4浓度的免标定测量。利用该系统对大气CH4浓度进行了测量,测量得到的大气CH4平均浓度为1.821 ppmv,标准偏差为0.024 ppmv,时间分辨率为10 s。Allan方差分析表明该测量系统检测限可达4.6 ppbv。因此,该系统可实现大气CH4浓度的免标定实时测量。

基于腔增强激光光谱的水中溶解甲烷传感系统

为探测水中甲烷气体浓度,研制了一种基于离轴积分腔输出光谱的水中溶解甲烷传感系统。系统由分布式反馈激光器(中心波长为1653 nm)、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、谐振腔/气室、光电探测器、数据采集模块、数据处理模块和气液分离模块构成。利用配备的甲烷气体样品和纯氮气(N2),分别开展系统有效光程标定、直接吸收光谱信号的标定和稳定性测试等实验。使用浓度为10×10^(-6)的甲烷气体样品标定了系统有效光程,约为1906 m。将纯氮气作为目标气体,测量系统的稳定性。Allan方差分析结果表明,当积分时间为2 s时,系统检测灵敏度为92.8×10^(-9),当积分时间增加到134 s,系统的灵敏度可提高到13.2×10^(-9)。利用该系统开展自来水、雨水和湖水样品中溶解甲烷的浓度检测实验,结果证实了该技术及系统的工程实用价值。该研究及相关结果为水质检测和天然气水合物等清洁能源的勘探开发奠定了良好的基础。

基于射频白噪声的离轴积分腔输出光谱的大气CH_(4)和CO_(2)的监测

基于离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)设计并搭建一套近红外二氧化碳(CO_(2))和甲烷(CH_(4))传感系统,用于快速、实时和原位监测环境中的CH_(4)和CO_(2)。通过加入射频(RF)噪声源减少离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式,从而提高了基于OA-ICOS的CH_(4)和CO_(2)传感系统的信噪比、精度和测量灵敏度。结果表明:加入RF噪声源后OA-ICOS系统的测量精度相对于无噪声源的系统提高了2.74倍。由Allan方差结果可知,在加入RF噪声源的OA-ICOS系统中,CO_(2)和CH_(4)的Allan方差值始终优于无噪声源的OA-ICOS系统,在1000 s时CO_(2)和CH_(4)的探测极限分别为0.55×10^(-6)和5.78×10^(-9),相对于无噪声源的OA-ICOS系统探测极限至少提高了3倍。在5 s的平均时间下,加入RF噪声源的系统中CH_(4)和CO_(2)的噪声等效灵敏度分别为1.70×10^(-9)cm^(-1)·Hz^(-1/2)和1.07×10^(-9)cm^(-1)·Hz^(-1/2)。此外,对大气中CH_(4)和CO_(2)浓度水平进行了为期4 d的连续监测,以验证所发展的CH_(4)和CO_(2)传感器系统的稳定性和可靠性。