海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8～1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6～1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。

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。

窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用, 但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。 为稳定半导体激光器的频率, 提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法, 利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频, 实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内, 激光稳频后, 其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。 该方法具有简单、 可靠等优点, 对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪, 为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。 太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式, 具有精度高、 全时空特点。 测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度, X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°, 能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。 进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来, 测量了3.5 μm附近的太阳光谱, 得到了CH4在整层大气中的吸收情况, 为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体, 其浓度的高低反映了变压器的运行状况, 因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。 为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度, 为变压器的维护提供技术参数, 针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究, 对传统的光声光谱探测系统进行改进。 根据光声光谱技术的理论可知, 光声信号的强度与入射激光的功率成正比, 所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率, 增强光声信号强度, 进一步提高了光声系统的探测灵敏度。 通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化, 确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。 利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定, 然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合, 二者具有很好的线性度。 通过Allan方差计算可知, 系统在平均时间达到200 s时, 能够达到最低探测极限浓度。 实验表明, 在一个大气压下, 积分时间为10 ms时, 改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。 还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中, 有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声, 提高了信噪比。 设计的共振型光声光谱探测系统操作简单, 最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求, 在变压器维护领域具有广阔的应用前景。

首次将Raman光纤放大技术与波长调制技术结合,使用Raman光纤 放大器对近红外激光进行了功率放大, 并将放大后的激光应用于远距离天然气管道泄漏遥测中。通过测试Raman光纤放大器在1650 nm波段的性能, 发现Raman光纤放大器输出功率为Pout时,为保证输出信号不发生形变所需的种子光源调制 频率f与Pout满足特定的线性关系, 并以此为基础实现了500 m远距离激光遥感探测,为在机载平台上 开展天然气泄漏激光遥测技术研究提奠定了基础。