在流场诊断技术中, 可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一, 其可实现非接触、 原位检测。 波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法, 在目标含量很低或者极端流场环境下, 波长调制技术呈现出更多的优势, 检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。 在近红外波长调制技术应用领域, 分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一, 无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合, 还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数, 吸收模型的准确建立均十分重要。 在模型建立时, 激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。 为解决吸收模型准确建立问题, 提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法, 通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性, 研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度, 调制频率以及工作温度的变化。 根据该方法得到的调制参数, 建立吸收模型, 测得常温下空气中水汽浓度为197%, 直接吸收方法测得浓度为199%, 验证了该测量方法的准确性。 研究表明, 调制深度随调制幅度的增加线性增加, 随调制频率的增加非线性单调减小, 随工作温度的升高线性增加; 激光器的出光强度和频率同时被调制, 强度变化超前频率变化的相位, 随调制幅度的变化不明显, 随调制频率的增加单调增加, 随工作温度的升高单调减小; 归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加, 随调制频率的增加而减小, 随工作温度的变化不明显。 在吸收光谱应用领域, 波长调制技术发挥的作用愈加重要, 调制系数与谐波信号的峰值息息相关, 在波长调制技术应用时, 选取适当的调制参数, 有利于得到合适的谐波信号, 可通过改变调制幅度、 调制频率、 工作温度得到最优调制系数。 研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性, 该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究, 利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。

燃烧场温度的测量对于燃烧诊断具有重要意义。开展了基于可调谐半导体激光吸收光谱 (Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)的在 线测温方法研究,基于双光束分时扫描技术,实现了双激光器协同工作与燃烧产物水汽 7154.35 cm-1 和7467.77 cm-1两条吸收谱线的同时测量,并利用双线积分吸光度比值关系完成温度的精确反演, 满足燃烧场温度在线检测应用需要。开展了针对甲烷/空气预混平焰炉火焰温度的实时检测实验研究, 并与热电偶进行了测温对比分析,两种方法的测量具有较好的一致性,相对误差小于3.8%,验证 了TDLAS技术对燃烧场温度非侵入式快速测量的可行性和可靠性。

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H₂O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm ^-1和6807.83 cm ^-1两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。

露点温度是表征气体状态的一个重要参数, 针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要, 提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度, 验证波长为1 381 nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度, 然后结合一套开放式的测量装置, 进行低温度环境(最低温度100 K)水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值, 其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好(相差小于1 K), TDLAS测量的时间分辨率为0.83 s, 远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量, 获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度, 同时得到了随着环境温度降低, 水汽逐渐趋向饱和的结论。

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2060 cm-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7154.35 cm-1和7467.77 cm-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45 K, 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。