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。

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。

氮稀释剂连续波DF激光器输出光谱分析

为获得氮稀释剂燃烧驱动连续波DF激光器输出光谱特性,利用傅里叶红外光谱仪对Z型折叠非稳定光学谐振腔DF激光器的外传输光路高反射镜散射激光进行了光谱分析.结果表明:采用N2稀释剂的DF激光输出谱线向长波偏移,有效输出波长大于4.0μm的3P10～3P13谱线,且各振动能级跃迁谱线为更高转动量子数跃迁谱线.各支谱线存在谱带间和谱带内竞争,且在一定程度上体现级联效应.改变燃烧室反应氧化剂过量系数,能够在一定程度上调节DF激光输出谱线分布.过量的副燃料主要为满足气动性能需求,在合适范围内变化的副燃料比对输出谱线及分布影响较小.研究结果可为燃烧驱动连续波DF激光技术研究及应用提供参考.

外腔式半导体激光器的输出光谱

用射线法导出了两段式激光器的输出谱公式，分析了外腔式半导体激光器（ＥＣＬＤ）的输出光谱，计算了ＥＣＬＤ被调二极管模式的不同波长处振荡时的阈值，获得了ＥＣＬＤ模式的波长表达式。

国产物理实验用半导体激光器输出光谱特性研究

对国产物理实验用半导体激光器的输出光谱特性进行了多方面的实验研究 ,测量方法和所得结论可供厂家和实验人员参考 .

广义两段式半导体激光器输出光谱的表达式

利用射线法导出了两段式半导体激光器输出光谱的表达式，把该式应用于光栅外腔式半导体激光器，还导出了激光器在任选波长振荡时。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

无输出镜外腔光谱合束结构对反馈效率的影响

半导体激光阵列无输出耦合镜外腔光谱合束技术利用光栅的0级和1级衍射光束反馈实现发光单元的波长锁定,避免了0级和1级衍射光束的转储和浪费,可以获得高的合束效率。因此,0级和1级衍射光束的反馈量高低就会决定外腔波长锁定的稳定性,进而影响合束后光束质量的高低甚至光谱合束的成败。针对此种结构,理论研究了两外腔长度、望远镜滤波结构及"Smile"效应对0级和1级衍射光束反馈效率的影响,结果表明:(1)外腔长度会影响反馈功率以及串扰程度;(2)望远镜滤波结构可以有效滤除大偏角杂散光束以及使光束正确反馈回原发光单元;(3)"Smile"效应的程度对反馈效率以及输出光束质量影响尤为严重,需要采取措施进行抑制。

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。

掺Yb光纤激光器输出光谱特性研究

建立了基于自相位调制效应的掺Yb光纤激光器输出光谱特性的解析模型,实验测量分析了输出光谱的形态,输出光谱随功率升高的变化趋势以及低功率下的输出光谱特性。实验结果表明,理论模型与实验结果吻合地较好,并且能够较为准确地得到输出光谱宽度随功率的变化规律以及低功率下输出光谱的特性。

连续波氟化氢激光输出光谱特性研究

设计了V型折叠非稳定光学谐振腔,对不同氧化剂过量系数条件下连续波氟化氢(HF)激光输出谱线变化规律进行分析。结果表明,在合适的激光反应体系配方和光学谐振腔参数下,波长大于2.87μm的2P8和2P9等HF激光长波谱线能够有效输出。调节燃烧室反应相对氧化剂过量系数,控制参与光腔激射反应的自由氟原子量,能够在一定程度上调节HF激光输出谱线分布。激光器输出功率与增益系数密切相关,单支谱线的最高输出功率与其最大增益系数相对应,激光器最高输出功率与各支谱线增益系数之和的最大值相对应。

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水汽探测研究

以中心输出波长为1315nm的可调谐分布反馈式(DFB)半导体激光器作光源,用反射率为99.7%左右的平凹镜组成长38cm的稳定光学谐振腔作吸收池,建立了一套基于可调谐半导体激光器的积分腔输出光谱(TDL-ICOS)系统。对TDL-ICOS实验系统和半导体激光的波长定标做了介绍;用ICOS技术获得了水汽在7612.026,7612.269和7610.224cm-1等3个波长处的吸收光谱,探测灵敏度达2.02×10-7cm-1。研究结果表明,ICOS是一种装置简单,易于操作的直接吸收光谱技术,具有高灵敏度和高分辨率的显著优点。

基于离轴积分腔输出光谱的深海可燃冰探测技术

可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术(M-ICOS)被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733℃和0.6799Pa,CH4检测极限为0.56×10^-9,CO2检测极限为0.62×10^-6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500~700m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。