1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000
实现乙烯气体（C2H4）实时在线精确检测对石油化工、煤矿等行业安全具有重要意义，但是C2H4在近红外波段的谱线强度信息不明确，具有谱带吸收特征，且与CH4有明显的混叠干扰，因此对其浓度进行精确检测是目前激光吸收光谱测量面临的共性技术难题。将波长调制光谱中的标定方法与直接吸收光谱相结合，提出了一种适用于C2H4气体检测的标定直接吸收光谱法（CDAS）。该方法不需要激光吸收光谱反演过程中的确切谱线强度信息，并克服了波长调制光谱在测量过程中出现的非线性效应。为了避免特定工况（如煤矿）中CH4的干扰，实验装置采用了高精度压强控制系统，并且在100 mbar（1 bar=105 Pa）稳定压强下实现了CH4和C2H4混叠光谱的分离。实验过程中对1626 nm附近的CH4和C2H4仿真和实测吸收光谱进行了分析，确定了C2H4的标定光谱范围，进而验证了该方法在体积分数低于100×10-6的范围内，对C2H4气体的检测误差不超过-1.47×10-6，并且测量体积分数与标准体积分数之间的线性拟合优度达到了0.999。对体积分数为10×10-6的C2H4直接吸收光谱进行分析，以1倍信噪比对应的浓度作为检测下限进行等效计算，得到检测下限为1.38×10-6。在Allan方差分析中，积分时间为77 s时检测精度达到了0.04×10-6。以上实验结果充分说明了标定直接吸收光谱法能够在近红外波段实现C2H4的精确检测，并为此类气体的检测提供了一种新思路。
光谱学 乙烯气体（C2H4） 近红外光谱 谱带吸收 标定直接吸收光谱 高精度压强控制
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
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。
光谱学 光功率放大器 离轴积分腔输出光谱技术 甲烷 碳同位素
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院，河北 廊坊 065000
针对石油化工、煤矿安全等领域对气体浓度宽量程检测的需求，对波长调制光谱检测气体浓度时的非线性特征进行了研究，提出仅用波长调制方法实现气体浓度的宽动态范围测量。该方法根据激光吸收光谱技术原理，对吸收项及其泰勒展开式进行分析，在小吸收度时采用线性近似，在大吸收度时采用三次多项式近似。并且使用甲烷气体（CH4）作为实验对象，搭建了CH4检测系统，验证了该方法在气体浓度宽量程检测方面的可行性。经过实验验证，该方法能够实现4个数量级大跨度范围（1.5×10-6~10000×10-6）的CH4检测。对阈值为1000×10-6（在3 m有效光程下吸收度为0.0236）以下和以上的气体体积分数分别进行检测，反演浓度和标准浓度之间均表现出良好的相关性，拟合优度均大于0.999。另外，在吸收度大于0.0236的范围内，该方法的最大测量相对误差为0.93%，绝对误差为-92.1×10-6。为了验证其稳定性，对体积分数为5000×10-6（吸收度为0.118）的CH4进行长时间测量，并统计其反演浓度的高斯分布，经过计算得到其半峰半宽为15.9×10-6。实验证明该方法突破了传统波长调制光谱只能测量低浓度的局限，在宽量程检测中获得了良好的检测结果，为气体浓度宽量程检测提供了一种新思路，同时也大大拓宽了波长调制光谱的应用范围。
光谱学 波长调制光谱 非线性特征 甲烷气体（CH4） 宽量程检测
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 光子器件与材料安徽省重点实验室，合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 中国科学院环境光学与技术重点实验室，合肥 230031
3 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，合肥 230026
4 国防科技大学 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230026
5 合肥师范学院 物理与材料工程学院，合肥 230601
6 蚌埠学院 电子与电气工程学院，蚌埠 233030
7 国家管网集团科学技术研究总院分公司，廊坊 065000
8 苏黎世联邦理工大学，量子电子学研究所，瑞士 苏黎世CH-8093
9 思克莱德大学，电气与电子工程系，英国 格拉斯哥G11XW
10 台湾云林科技大学 环境与安全卫生工程系，云林64002
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CO2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H2O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13CO2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。
气态同位素 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 Gas isotope Tunable diode laser absorption spectroscopy Integrated cavity output spectroscopy Cavity ring-down absorption spectroscopy
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
4 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
5 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术, 具有高选择性、 高响应性和高分辨率等特点。 根据分子光谱吸收原理, 被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化, 进而影响气体浓度反演的准确性。 为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性, 选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体, 设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14～1 100 ℃)的气体吸收光谱检测实验, 与HITRAN数据库中光谱参数进行对比, 并对结果进行校正和分析。 同时, 以探测信号有效扫描区域的线性度、 标准差和残差平方和等参数为依据, 分析了不同材质的窗片对高温实验的影响, 通过升降温实验数据的分析, 选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。 经过对标准浓度的CO进行高温实验, 发现随着温度的升高, 二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势, 符合理论公式的变化规律。 经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性, 实现了热背景下光谱检测的校正, 验证了变温时2f幅值校正的准确性。 该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考, 尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 一氧化碳 窗片材质 二次谐波 温度校正 Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS Carbon monoxide Material of the window piece Second harmonic Temperature correction
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 蚌埠学院电子与电气工程学院, 安徽 蚌埠 233030
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
5 中国科学院合肥物质科学研究院中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制光谱技术(WMS)和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8~2205.6 cm -1,覆盖了CO、N2O和H2O的中心吸收谱线。实验测试结果表明:在1 s的时间分辨率下,CO、N2O和H2O的测量精度分别为1.83×10 -8,1.86×10 -9,1.19×10 -4;当满足最佳积分时间(100 s)时,系统的最低检测限可以达到1.8×10 -9(CO),0.16×10 -9(N2O),1.5×10 -5(H2O)。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体长时间测量要求,可广泛应用于大气化学和温室气体等领域的高灵敏检测研究。
光谱学 连续输出量子级联激光器 激光光谱 波长调制 多组分气体
光子学报
2020, 49(10): 1012002
红外与激光工程
2020, 49(6): 20190386
