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中国激光 2018年第09期杂志 文档列表

中国激光杂志“激光吸收光谱技术及应用新进展”专题

“激光吸收光谱技术及应用新进展”专题前言1-2

摘要：近年来,激光吸收光谱技术取得了巨大进步,应用领域不断拓展。在气体检测中,激光吸收光谱技术已实现了近百种气体的定性或定量测量,并以气体分子为测量对象,可实现温度、流速、压力等参量的同时非接触测量。激光吸收光谱气体检测涉及到安全监测、工业流程优化控制、废气源排放监测、环境中痕量有毒/有害/易燃/易爆成分探测、呼吸气体分析及某些疾病的早期诊断与筛查、化学反应过程测量与诊断、发动机燃烧诊断、超声速风洞测量、深海溶解气体探测、火山状态探测、星际生命探测等领域。

可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用研究进展3-23

摘要：随着半导体激光器的发展,可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术有了巨大的进步,应用领域迅速扩大。已经有超过1000种TDLAS仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领域,每年全球出售的TDLAS气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%-10%。运用TDLAS技术,已经完成了几十种气体分子的高选择性、高灵敏度的连续在线测量,实现了不同领域气体浓度、温度、流速、压力等参数的高精度探测,为各领域的发展提供了重要的技术保障。本文综述了TDLAS技术气体检测的原理以及最近的应用研究进展,主要从大气环境监测、工业过程监测、深海溶解气体探测、人体呼吸气体测量、流场诊断以及液态水测量六个应用领域进行介绍。

光腔衰荡光谱方法测量分子的高精密谱线参数24-36

摘要：分子吸收光谱数据,包括谱线的位置、强度、压力位移系数及展宽系数等,是研究温室效应、大气环境监测以及星际气体探测等应用的基本参考。随着激光技术的飞速发展,光腔衰荡光谱技术以其极高的探测灵敏度和测量精度,被广泛应用于分子光谱测量。结合各种复杂精密光谱线型,可以获得大量可靠的高精度光谱数据参数。这些结果被用于更新光谱数据库,甚至是检验基本物理定律和常数。主要介绍光腔衰荡光谱测量方法,特别是结合激光锁频技术的精密测量技术,并以一氧化碳、氢分子泛频振转光谱测量为例,介绍其在精密分子光谱参数测量中的应用。

腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用37-48

摘要：腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点，是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展，腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展，在环境监测、医疗诊断、国防建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述，从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发，基于不同的光源描述常见的实验配置，其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究，此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况，并总结了目前该技术在不同领域的应用，最后对各装置的发展前景进行了展望。

石英增强光声传感技术研究进展49-60

摘要：主要回顾了近几年石英增强光声传感技术的最新研究进展,展望了未来几年该技术的发展趋势。从石英增强光声传感技术的基本原理开始,介绍了传统的石英增强光声传感器系统的搭建,围绕如何降低系统噪声和进一步提高探测灵敏度展开论述。阐述了定制音叉式石英晶振的建模与设计,详细讨论了如何使用定制的音叉探索新型光谱测声器配置,使探测灵敏度提高两个数量级,并介绍了利用这些定制音叉的泛频振动模式实现减小声音共振腔长度的目的和双气体探测功能。最后讨论了该技术的进一步发展方向。

激光吸收光谱流场诊断技术应用研究与进展61-76

摘要：可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术作为一种先进的光谱检测手段已经被广泛应用于燃烧流场和风洞环境的过程诊断中,它可以实现流场温度、组分浓度、气流速度等多参数的在线精确测量。介绍了TDLAS技术的基本原理及其在流场参数测量领域的发展历程,总结了近几年来在超燃冲压发动机、航空涡轮发动机以及超声速风洞等流场参数测量方面所开展的TDLAS应用实例,着重介绍了在实验室和外场环境中就流速的高精度测量、燃烧场温度和组分的连续监测、场分布的准确反演所做的研究工作。同时概述了激光吸收光谱流场诊断技术的发展水平、目前已经取得的最新研究进展以及还存在的相关问题,最后展望了TDLAS技术在流场诊断领域的应用前景和未来的发展趋势。

采用带间级联激光器的痕量气体检测技术进展77-88

摘要：带间级联激光器（ICL）是近年来发展起来的高性能中红外光源,覆盖中红外3-6μm谱段。其具有电光效率高、阈值电流低、可室温连续工作等优点,是痕量气体检测领域最具吸引力的半导体激光器之一。分析了中红外指纹吸收光谱的特征,简述了带间级联激光器的发展、工作原理和特性,综述了基于中红外宽带吸收光谱的高灵敏、特异性检测技术的发展,并对今后发展做了讨论和展望。

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术综述89-99

摘要：噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术（NICE-OHMS）结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光源、腔的精细度等关键参数,及其对探测灵敏度的影响,最后提出限制NICE-OHMS技术探测灵敏度的主要因素及其解决方案。

功率增强型光声光谱气体传感技术的研究进展100-112

摘要：光声光谱（PAS）技术是痕量气体传感领域内十分重要的探测技术,科研人员正致力于提升光声光谱气体传感技术的性能,以满足不同的应用需求,其中通过增强激发光功率来提升探测灵敏度是当前行业内的研究热点,并已取得了许多突破性进展。介绍了这一重要领域的研究现状,总结了各类技术手段的工作原理、技术特点以及最新研究成果,并对其发展趋势进行了分析。

基于中红外吸收光谱技术的燃烧场CO浓度测量研究119-125

摘要：燃烧场组分的测量对于燃烧诊断具有重要的研究意义。基于可调谐激光吸收光谱（TLAS）技术,采用中红外带间级联激光器（ICL）扫描一氧化碳（CO）的2060cm^-1（v=1←0,P20）吸收谱线,实现了对燃烧场CO浓度的测量。实验通过燃烧产物H2O的7154.35cm^-1和7467.77cm^-1吸收谱线的谱线强度比值反演燃烧场温度,以此修正测量环境下CO谱线强度参数,实现CO浓度的精确测量。首先介绍了TLAS测温验证实验,温度测量在各个设置温度台阶下的波动均小于45K,温度测量具有可靠性;其次开展CO浓度测量标定实验,CO测量浓度与标准气体浓度的误差在3%以内;最后针对甲烷/空气平焰炉在不同燃烧状态下进行CO浓度测量,实现0.35‰-4.5%范围内CO浓度的测量,检测灵敏度为0.035‰。实验验证了中红外吸收光谱技术实现燃烧场组分浓度测量的可行性和可靠性,有助于燃烧诊断的研究,具有较大的应用价值。

溶解态深海硫化物的原位测量方法研究126-131

摘要：深海海域蕴藏着丰富的矿产、能源和生物资源,具有潜在的巨大经济价值。深海溶解态矿物质是海底热液活动及演化的重要示踪剂。以深海海水中的硫离子为研究对象,以迷你型高功率发光二极管（LED）作为激发光源,采用全光纤传输方式的设计理念,结合基于朗伯-比尔定律的全光谱检测方法和化学显色法,对深海离子矿物质的检测方法开展研究。在数据处理上,采用自行建立的自适应性Savitzky-Golay滤波算法使光谱信噪比提高3-7倍。结果表明：在1s时间分辨率和20mm的有效光程下,系统的检测灵敏度可达0.1μmol/L以下,且在0-32μmol/L浓度范围内具有良好的线性响应特性（相关度R2〉0.99）。

基于激光光声光谱超高灵敏度检测SF6分解组分H2S132-138

摘要：H2S是SF6气体绝缘设备中放电故障诊断的特征组分之一;针对H2S在红外波段吸收系数小,传统光学检测方法对H2S检测灵敏度较低的问题,结合大功率光纤激光放大技术、共振式激光光声光谱技术、波长调制光谱技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤放大激光光声光谱的SF6分解组分H2S气体的超高灵敏度检测方法;采用近红外可调谐窄线宽分布反馈激光二极管级联高饱和输出功率掺饵光纤放大器作为光声激发光源,搭建具有超高灵敏度的激光光声光谱微量H2S气体检测系统。结果表明：当测量时间为100s时,该系统对SF6背景中H2S气体的检测极限达到1.5×10^-8。

基于特征提取的极限学习机算法在可调谐二极管激光吸收光谱学中的应用139-146

摘要：采用波长为1570nm的激光器分析了天然气背景下的硫化氢气体,通过自动化配气站产生了体积分数为0-10-4的硫化氢混合气体,获取了92组稳定状态的光谱数据,采用极限学习机（ELM）的回归模型反演了硫化氢浓度。把非线性迭代偏最小二乘法引入到光谱预处理中,利用光谱特征参量与浓度参量建立了回归模型,采用五折交叉校验的方法对模型进行了评估。测试结果显示,光谱数据采用特征提取后的预测精度比直接用ELM进行回归的提升了25%,且模型运算时间由0.12s缩短到了10ms以下。特征提取预处理缩短了ELM模型的训练时间,提高了分析仪的分析精度和实时性。

基于正交锁相放大器与分段快速傅里叶变换的红外乙炔传感器147-153

摘要：针对可调谐激光二极管吸收光谱技术,提出用于对气体吸收信号进行分段快速傅里叶变换提取二次谐波信号的方法,将该方法与传统正交锁相放大器的谐波信号处理方法进行对比;利用MATLAB软件模拟产生乙炔气体吸收信号,分别验证正交锁相放大器和分段快速傅里叶变换算法的功能;设计基于LabVIEW软件的正交锁相放大器与快速傅里叶变换传感器信号处理平台,结合近红外1.533μm的分布反馈激光器以及自主研制的Herriot气室,建立近红外乙炔气体传感系统;利用配制的乙炔气体样品开展传感器的标定实验和Allan标准差测试实验。结果表明：两种方法都具有较好的线性拟合优度,并呈现出相似的稳定性。

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪154-158

摘要：与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示：间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。

基于受激布里渊散射及紫外-可见吸收光谱的橄榄油等级鉴别与分析159-164

摘要：提出了一种基于受激布里渊散射（SBS）及吸收光谱的橄榄油等级鉴别方法。采用紫外-可见吸收光谱法对不同等级的橄榄油进行检测,依据所获得光谱吸收峰的数量及位置可以实现各等级橄榄油的初步鉴别与分析。在吸收光谱实验的基础上,采用SBS光谱法,通过测量不同温度下各等级橄榄油的SBS光谱,分析SBS频移随温度的变化。实验结果表明：不同等级橄榄油的布里渊光谱随温度的变化特性一致,即布里渊频移随温度升高而减小,但不同等级橄榄油具有其独特的频移特征曲线。通过两种光谱法的结合,可以有效、快速地鉴别橄榄油等级。

中国激光杂志“激光吸收光谱技术及应用新进展”

差分吸收激光雷达系统探测背景大气SO2和NO2113-118

摘要：研制了一套可用于探测背景大气SO2和NO2的差分吸收激光雷达系统。该系统利用两台Nd：YAG激光器的二倍频和三倍频产生532nm/355nm的激光,分别去抽运四台窄线宽的染料激光器,从而获得测量大气SO2和NO2分布所需的两对激光波长300.05nm/301.5nm和446.6nm/448.1nm。实验数据表明,在晴朗的天气条件下,当空间分辨率为15 m且积分时间为30 min时,大气SO2和NO2的测量精度分别可达±2.0×10^-9和±5.0×10^-9,激光雷达探测的大气SO2和NO2平均浓度与当地气象部门同时间报告的浓度较一致,显示了差分吸收激光雷达技术监测低浓度SO2和NO2时空分布的能力。

中国激光杂志激光物理

用于Hg原子光晶格钟的低漂移率超稳腔系统165-173

摘要：光晶格钟需要高稳定度的超稳激光,而超稳激光的频率稳定性受限于超稳腔的热噪声和温度涨落,因此,降低超稳腔的温度涨落对于超稳激光的频率噪声达到热噪声极限具有重要意义。分别从时域和频域上分析了达到热噪声极限对超稳腔温度稳定性的要求,设计了超稳腔控温系统,其包括一层被动隔热、两层主动控温的超稳腔真空系统和主动控温装置;找到了超稳腔的零膨胀工作温度;测量了真空隔热系统的温度传递时间常数（3.6d）;监测了真空腔内主动控温层11d的温度涨落（〈1mK）。通过实验测量和理论分析,在频域和时域上分别计算得到了超稳腔的温度波动,确定了千秒内的温度涨落引起的频率噪声均在热噪声极限以下。利用磁光阱产生的199 Hg冷原子的钟频跃迁光谱测得超稳腔的长期温度漂移为4.2kHz/d,符合Hg原子光晶格钟的要求。