基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器(特邀)

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积,设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管,覆盖二氧化碳分子在4989.9 cm^(-1)处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外,为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明,采用该传感器,系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^(-6),而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^(-6),提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测,并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测,证明了仪器的稳定性。

改进的Herriott型光学长程池

用凹面反射镜和平面反射镜组成结构简单、光路易调的光多次反射装置 ,计算了这种光学系统的稳定性条件。考虑实际入射光束的直径和发散角 ,给出了最大反射次数的求法。制成适用于钛宝石激光光声光谱仪的光 56次通过的长程池。理论计算的反射光斑分布与实验观测一致。这个技术有利于提高光声光谱和吸收光谱的探测灵敏度。

基于Herriott型多通池的SERF原子磁力仪研究

为提高无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的探测灵敏度,提出一种通过增加探测光在气室内部与泵浦光相互作用的光程长来提高SERF原子磁力仪探测灵敏度的方法,该方法采用在原子气室外侧搭建Herriott型多通池系统来实现复杂光路以及长光程,将系统整体放置在屏蔽筒内部,并利用3D软件对该无磁检测系统进行设计与制作。与传统型SERF原子磁力仪进行实验对比,该方案实现了在多频点的探测灵敏度不低于34 fT/Hz1/2的性能,可解决复杂光路的光学结构与原子磁力仪相结合这一问题,为未来采用F-P积分腔的形式来进一步提升磁力仪性能打下良好基础。

基于Herriott吸收池的固定源二氧化碳浓度测量

准确的碳排放计量是实现“碳峰化、碳中和”目标的重要一步。在所有碳排放源中,固定排放源排放的CO_(2)是温室效应的主要因素。因此,精确测量固定排放源CO_(2)的浓度尤为重要。基于近红外分子吸收光谱原理并结合多次反射直接吸收光谱技术,利用35%CO_(2)/N_(2)混合物,建立了精确测量CO_(2)浓度的方法,测量了293 K和0,4.1,8.1,13.3 kPa下,CO_(2)在6359.97 cm^(-1)的(30012)←(00001)R16e和6361.25 cm^(-1)的(30012)←(00001)R18e跃迁谱线,计算了R18e的谱线强度,通过比较35%CO_(2)/N_(2)混合物和其它CO_(2)/N_(2)混合物的吸收面积,可以得到15%,10%,5%的CO_(2)/N_(2)混合物的浓度。结果表明所建立的理论方法和实验结果能够较好地表征待测气体的浓度,测量不确定度与基于天平的称重法相当。

H2 Stimulated Raman Scattering in a Multi-pass Cell with a Herriott Configuration

Stimulated raman scattering （SRS） is an effective method for expanding the spectral range of high power lasers, especially in the regime of near IR and middle IR. We report the SRS of high pressure H2 with a multiple-pass cell configuration. The SRS with the multiple-pass cell configuration is found to be very efficient for reduction of threshold of the first Stokes （S1）. Due to the coherent SRS （CSRS） process, the multiple-pass cell configuration is more effective for reduction of the threshold for the second Stokes （S2） SRS and for increasing the conversion efficiency of S2. This contributes to the relatively low conversion efficiency of S1 for the multiple-pass cell configuration. Multiple-pass cell SRS is also found to be very effective for improving the beam quality and the stability of S1.

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^(-7)。

基于Herriott型长程池的光学设计的研究

提出了一种改进的Herriott型长光程模拟装置,该装置由平面反射镜和凹面反射镜组成,具有等效光程长和便于光路调控的优点。本文讨论了光束直径、镜面尺寸、旋转角度、和镜面反射率对光程和光路调节的影响,并利用ABCD矩阵变换方法分析了系统的稳定性。理论模拟计算了基长为0.6m的装置实现144m有效光程传输所需的参数和结果。

基于TDLAS甲烷检测系统的长光程池研究与设计

采用Herriott型长光程池结构原理,通过理论研究和仿真分析得到一定条件下Herriott池反射次数最优解,利用镀膜凹面镜作为反射镜,在池体上集成光学元件,进行了长光程、低成本、小体积光程池的设计。经过实验验证,所设计的物理长23cm,体积243mL的光程池,能达到11m有效光程长,并搭建在TDLAS甲烷检测系统中,结果表明检测下限最低浓度为476 ppb。这为低浓度、高精度、微型化的TDLAS甲烷检测系统的推广应用提供了一种有效的途径。

基于脉冲非线性压缩技术的71.3 W飞秒激光产生

采用了Herriott型多通腔对高平均功率皮秒激光进行非线性压缩产生飞秒激光的脉冲宽度压缩系统,并通过ABCD矩阵对腔内本征模式分布进行了求解计算.实验上通过利用多通腔脉冲压缩装置将100 W钕离子激光器输出的脉冲光谱宽度从0.20 nm展宽到2.75 nm,光谱展宽比为13.75,B积分累积总量接近15.6.利用透射光栅将补偿色散后脉冲宽度从12.5 ps压缩到了780 fs,脉冲压缩比为16,最终输出功率为71.3 W,装置整体效率为71.3%.该装置提供了一种更加结构简单,成本廉价的高平均功率飞秒激光产生方式.

采用4.8μm中红外量子级联激光器的痕量一氧化碳气体检测仪

一氧化碳是一种无色、无味、有毒、易燃的危险气体,且低浓度的该气体可以使人中毒、窒息、危及生命。因此研制一种能够检测一氧化碳气体浓度的检测仪意义重大,尤其在环境复杂(湿度和粉尘浓度都很大)的矿井下。本文所述的是一种紧凑型检测仪器,其能够灵敏、快速、连续地监测环境空气中痕量一氧化碳气体浓度。该仪器采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL)和红外碲镉汞探测器的最新半导体技术,结合中红外光程长度为76m的多次反射herriott吸收气室,可以在4s的采样时间内实现40nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,该仪器利用差分吸收光谱检测原理,设计了双光路双通道空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性,有效地提高了仪器浓度检测下限。实验表明,该仪器通过所集成的气体浓度反演算法,能够在无需校准的情况下,可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷（CH4）进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）与波长调制光谱（WMS）的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器（QCL）,通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流（0.6-1.6 A）的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线（1 332.8cm-1）。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。

TDLAS逃逸氨检测中温度影响的研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)为逃逸氨的现场抽取式的检测提供了可靠的技术手段,现场环境中温度对二次谐波信号影响非常大,必须要对检测的结果进行温度的修正。当温度从25℃变化到250℃时,在Herriott样品池中对100×10-6的NH3进行检测,得到二次谐波光谱图,结果显示二次谐波信号的幅度随温度的升高而减小,线宽趋于平缓。当压力从0 kPa变化到100 kPa时,二次谐波的信号峰值随着压力增加而减小,线宽趋于平缓。根据上述实验结果,给出了温度修正的公式,通过对不同温度下50×10-6浓度的NH3进行修正,来评价公式的可靠性,修正后的最高误差为5.1%,极大地提高了测量的精度,使系统能够适应高温环境下在线抽取式监测需求。

适合逃逸氨取样测量的新型样品池研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)为逃逸氨的在线检测提供了可靠的技术手段,然而现场取样测量需要克服高温、高粉尘及测量滞后性的影响,使得NH3浓度控制在3×10-6左右。采用特殊设计的新型Herriott样品池,具有中空光路、气路带加热的设计结构,能够提高测量的实时性。为了评价样品池的测量精度,分别对浓度为1×10-6到10×10-6的NH3进行检测,采集得到其二次谐波光谱,通过分析吸收峰以及谷值,得到测量结果的拟合曲线,根据光谱曲线的标准偏差得到了样品池的最低检测限为0.22×10-6。结果表明,新型Herriott样品池测量精度高、实时性好,能够满足逃逸氨的取样测量要求,适合在线监测。

基于中红外痕量甲烷检测的地震预警仪

随着地震断裂带气体观测技术的快速发展,为了对地震进行精确的预报,减少因地震给人民群众生命和财产带来的损失,根据甲烷气体的释放与地震前上地壳岩石的微裂隙有直接关系的这一微观变化,设计并研制中红外痕量甲烷气体检测仪。仪器采用激发波长为7.65μm的量子级联激光器(QCL),结合双光路长度为76m的多次反射herriott长光程气体吸收池,可以在4s的采样时间内实现40nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,采用半导体激光器频率调制直接光谱吸收技术,降低了该仪器噪声的主要来源1/f噪声,使气体检测下限达到5nmol·mol-1(40s采用时间)。在野外实验中,利用可控震源车作为模拟地震源,将6个痕量甲烷检测仪以100m为距离等间隔放置,对距震源中心不同距离下的地表面甲烷气体浓度进行动态测量。实验表明,该仪器可以监测地震前地下痕量甲烷气体的释放,为地震前兆预警提供新的途径。

基于TDLAS-WMS的高灵敏度电子鼻传感器设计

为了对痕量有害气体(甲烷为例)进行非接触式检测,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)相结合的检测技术,采用中心波长为7.5μm的量子级联激光器(QCL),设计并研制出高灵敏度电子鼻传感器系统.在室温条件下,通过调节QCL注入电流,使其发光光谱扫过甲烷(CH4)气体吸收谱线.同时采用紧凑型herriott气室(长度为40 cm,容积为800 m L),使得系统总光程达到16 m.利用该传感器系统,对不同浓度的CH4进行测量,结果显示,测量相对误差小于7%,检测下限为1×10^(-9).同时,研究人员可以通过更换其他激射波长的QCL,实现对其它有害气体的检测.

一种螺旋型的紧凑多光程池

随着社会经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染时有发生。利用光谱技术测量有害气体的浓度,可以对空气进行实时监测。在弱吸收条件下,利用多次反射池可以增加有效光程,从而提高吸收光谱的探测灵敏度。基于Herriott型多光程池的结构,提出了一种紧凑型多光程池。该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成,入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播,形成有规律的放射状分布,光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径,光斑呈螺旋形分布。实现了入射光和出射光的分离,从而增加了光路的可调空间。由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比,可以根据实际需要选择合适的光程。另外,该反射池的主体是一个圆筒,具有稳定的机械性能和一定的抗震性。利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性,通过模拟发现光束通过透镜后,焦点会聚在圆筒中心附近,能使入射光斑在池中收敛,并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。还研究了在不同入射角条件下的旋光特性,发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。当入射角相同时,旋转角度随着反射次数的增加而增大。

车载甲烷巡检仪的光路优化设计与系统实现

多次反射腔体是激光吸收光谱气体传感器的核心组件,其结构和性能直接影响到整个设备的灵敏度和稳定性.分析了White腔、Herriott腔、CEAS腔等国内外主要应用的多次反射腔体的设计方案和工作原理,设计和制作了96次反射腔体,并应用在车载激光甲烷巡检仪上.通过燃气公司的实际应用表明,该设备极大地提高了燃气巡检的效率,缩短了燃气巡检的周期,有效地减少了爆燃事故的发生.

基于中红外QCL的痕量CO气体传感器

为了减少CO爆炸给国民经济造成的巨大损伤,提出了一种能够快速地监测环境空气中痕量CO的气体传感器。由于CO分子基频吸收谱带的吸收线强要比泛频带和组合频带的吸收线强高出2～3个数量级,选择激射中心波长为4.65μm中红外量子级联激光器（QCL）作为光源,同时再配合长光程Herriott气室提高了CO体积分数检测下限。同时,该传感器采用单光源双探测器差分光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明：该传感器CO体积分数检测下限为2×10-6,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的中红外QCL来测量其它气体。

基于中红外量子级联激光器的痕量CO检测仪研制

为了提高一氧化碳(CO)气体浓度的检测下限和灵敏度,研制了一种痕量CO检测仪。该检测仪采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL),结合中红外光程长度为76 m的多次反射herriott吸收气室,有效地提高了CO气体浓度检测下限和灵敏度。同时,利用差分双光路空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明,该检测仪能够灵敏、快速和连续地检测环境空气中痕量CO气体浓度,在4 s的采样时间内达到了40 nmol/mol气体检测灵敏度,也可通过替换在不同波长下运行的QCL测量其它气体。

采用中红外量级级联激光器的痕量CO浓度传感器

介绍了一种基于中红外光谱吸收原理的痕量一氧化碳(CO)浓度传感器。整套传感器系统采用了激发波长为4.8μm的量子级联激光器(QCL)作为光学光源,使用分光镜将其光束分为能量相等的两束,分别通过长光程herriott吸收气室和参考气室最终到达两个探测器。通过检测系统输出光强信号的电压值,利用朗伯比尔定律进行计算得到所测量的痕量CO浓度值。经过实验验证,当采样时间被设置为4秒时,在一个单独的采样周期内,传感器的灵敏度最高可达40 nmol/mol,并且可长时间稳定运行于室温环境之下。