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.

用光腔衰荡技术测量镜片的反射率

根据光腔衰荡光谱技术原理,建立了测量镜片反射率的实验装置。利用该装置测定了一对反射率相等的高反射腔镜,反射率测试结果为(99.925±0.001)%;以22.5°将直腔变为折叠腔,测得的反射率为(99.992±0.003)%。重复测定反射镜样品的反射率,精度达到10-5。该测量装置可用于超低损耗薄膜高反射镜反射率的精确测量。轻微移动探测器位置,对腔镜的测试结果影响不大。

连续波腔衰荡技术测量系统的参数选择

连续波腔衰荡技术是一种非常规、高精度的腔损测量技术。考虑入射光线宽和谐振腔失调等情况,本文依照多光束干涉理论对连续波腔衰荡法的腔出射光强公式进行了推导,并围绕腔出射光强,就测量系统各部分参数的选择对测量精度和稳定度的影响进行了数值模拟和分析,这将为该技术应用时的参数选择提供理论指导。

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。

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。

基于耦合光腔衰荡技术的高反射率测量

为提升光腔衰荡高反射率测量技术的精度,提出了一种基于耦合光腔衰荡技术的高反射率测量方法。该方法在耦合光腔衰荡系统中引入衰荡腔腔内模式监测模块,以腔内运行模式为判据寻找初始腔和测试腔耦合效率一致的状态,从而实现更高的测量精度。实验结果表明:在确保腔内模式处于基横模状态时,初始腔和测试腔腔内的等效损耗降低值几乎一致;对于同一高反射率待测样片,该技术对比传统方法可实现10.0%~27.1%测量精度的提升。

光腔衰荡法数据截取对时间常数测量精度的影响分析

光腔衰荡方法是目前测量光学元件超高反射率(反射率>99.9%)的唯一方法。介绍了一种对光腔衰荡法中激光信号强度与时间关系的优化提取方法。设计了基于光腔衰荡法的光学元件超高反射比的测试系统,通过对采集的光腔衰荡曲线数据进行分段指数拟合,将光腔衰荡曲线数据分为5段,对每段指数拟合结果对应的R^(2)(R-square)和RMSE(root mean squared error)值进行对比分析,计算每段指数拟合的衰荡时间。实验结果表明:截取光腔衰荡曲线数据40%~60%部分拟合得到的结果最接近真实值,求得对应的腔镜的反射率为99.988 977%。最后通过与腔镜的自身反射率进行比较,表明该种数据拟合方法能有效地测量腔镜的反射率,并能减小实验数据本身带来的误差。

利用光纤环腔衰荡技术测量单模光纤的弯曲损耗

提出用光纤环腔衰荡技术研究单模光纤的弯曲损耗及其随弯曲半径和温度变化的振荡特性。光纤弯曲时,从基模辐射出去的一部分能量在包层-涂敷层或涂敷层-空气界面处发生反射形成回音壁(WG)模,当满足同向耦合条件时,WG模又重新耦合回纤芯与基模发生干涉,使光纤的弯曲损耗产生振荡。实验结果表明,在弯曲半径为9.33～27.63 mm的范围内,单模光纤的弯曲损耗除了随弯曲半径的减小呈指数增大外,还伴随有振荡现象,且WG模与纤芯基模之间还会发生二阶耦合,导致次级振荡的存在;弯曲损耗随温度的变化也存在振荡现象,振荡周期随温度的升高和弯曲半径的减小而减小。实验得到的振荡峰的位置和幅值及振荡周期与理论分析结果一致。

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。

基于衰荡腔技术的传感器设计与计算机分析

文中将痕量气体测量中衰荡腔技术引入到了SPR传感器中,提高了性能。理论上分析了衰荡腔光路及出射光强与衰荡腔扫描速度间的关系。分析发现:设计的新方法相对于直接测量SPR归一化光强的方法可以显著提高灵敏度,降低检出限。通过改变可调谐激光器的输入波长,并利用衰荡时间信号反馈调节可调掺铒光纤放大器放大,可以在保证灵敏度条件下追踪SPR吸收峰变化,因此兼具波长解调型SPR系统动态范围广,适应性强的优点。

光纤腔衰荡技术概述

光纤腔衰荡技术以其高灵敏度的优点得到了人们的普遍关注,在很多需要高灵敏度测量的领域有着重要而广泛的应用。通过分析近年来的研究成果,对光纤腔衰荡技术的系统进行综述。结合相关论文报道,从工作机理、腔形结构、系统实现等方面对光纤腔衰荡技术的实现和应用进行分析总结,阐述其发展进程,以期可以对相关研究提供一定的参考和帮助。

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).

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.

用于连续波腔衰荡法测量的LD驱动电路设计

为了将半导体激光器应用于连续波腔衰荡法腔损耗测量,设计了半导体激光器的驱动电路。该电路由调制、驱动、温控等模块组成,在采用多光束干涉理论对连续波腔衰荡法测量原理进行分析和数值模拟的基础上,提出了驱动电路各模块的参数要求,对该电路各参数进行测试后,应用该电路建立了连续波腔衰荡法腔损耗测量系统,并进行了实验。经测试得知,在保证半导体激光器安全工作的前提下,该电路对于半导体激光器的关断时间约为60ns,对半导体激光器的温度控制精度优于0.01℃;对某单程腔损耗约为50×10-6的衰荡腔测试表明,腔损耗测量精度优于1%。结果表明,该电路达到理论设计要求,可应用于高精度腔损耗测量。

基于自洽方程组及传递函数的腔衰荡信号研究

为了更好地理解腔衰荡技术的物理本质和测量过程从而更好地分析腔衰荡信号,利用自洽方程组、结合光学无源腔的品质因子Q值定义对腔衰荡技术的基本原理进行了推导,并结合该方程组有关系数的物理意义,引入传递函数的概念分析了不同情况下的腔衰荡信号的基本特征。结果表明,这种分析方式可靠,可为腔衰荡技术在超低损耗薄膜性能标定及腔内介质的吸收光谱测量等领域的应用提供理论指导。

精确提取低信噪比光腔衰荡信号的信号平滑（英文）

提出一种用于低信噪比光腔衰荡时间准确提取的信号平滑方法,该方法基于数字图像处理领域的空间滤波平滑技术。首先推导了这种平滑方法的平滑过程和平滑效率,并与其他平滑算法进行了对比。推导结果表明基于均值滤波算子的空间滤波平滑方法具有最高的平滑效率。其次,分析了信号平滑方法的实用效果,结果发现该平滑方法与加权线性最小二乘算法相结合能够实现高精度、快速同时准确度较好的光腔衰荡时间提取。最后结合实验数据检验了平滑方法的处理效果,取得了列文伯格-马夸尔特算法相一致的衰荡时间提取结果。

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。