哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
首先,利用有限元分析方法,仿真模拟了石英音叉的应力和表面电荷分布,设计并加工了一种T字头石英音叉。经过实测,此T字头石英音叉的共振频率为8930.93 Hz,Q值为11164,叉指间距为1.73 mm,与目前广泛应用的商用石英音叉相比,T字头石英音叉的共振频率降低了73%,品质因数提高了22%。然后,通过测量水汽对其传感性能进行验证,发现相比于商用石英音叉,基于T字头石英音叉的石英增强光声光谱(QEPAS)系统信噪比提升了60.65%。最后,给出了石英音叉下一步优化的方向。
遥感 石英音叉 石英增强光声光谱 有限元分析 品质因数 信噪比 光学学报
2023, 43(18): 1899910
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
In the field of absorption spectroscopy, the multipass cell (MPC) is one of the key elements. It has the advantages of simple structure, easy adjustment, and high spectral coverage, which is an effective way to improve the detection sensitivity of gas sensing systems such as tunable diode laser absorption spectroscopy. This invited paper summarizes the design theory and the research results of some mainstream types of MPCs based on two mirrors and more than two mirrors in recent years, and briefly introduces the application of some processed products. The design theory of modified ABCD matrix and vector reflection principle are explained in detail. Finally, trends in its development are predicted.
multipass cell tunable diode laser absorption spectroscopy gas sensing optical path length Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 033001
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
A sensor based on light-induced thermoelastic spectroscopy (LITES) with a fiber-coupled multipass cell was demonstrated for carbon monoxide (CO) detection. The fiber-coupled structure has the merits of reducing optical interference and difficulty in optical alignment and increasing system robustness. A 1.57 µm continuous wave distributed feedback diode laser was used as the excitation source. A minimum detection limit of 9 ppm was obtained, and the calculated normalized noise equivalent absorption coefficient was . The reported CO-LITES sensor showed excellent linear concentration response and system stability.
light-induced thermoelastic spectroscopy quartz tuning fork CO concentration Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031201
1 哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站, 黑龙江 哈尔滨 150001
石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 乙炔(C2H2)是一种化学性质活泼的有毒气体, 对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、 环境监测等领域有着重要的意义, 基于此, 采用QEPAS技术对C2H2微量气体展开高灵敏度检测研究。 采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 为了提高QEPAS系统信号幅值, 相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉, 采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器, 同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、 激光波长调制深度, 并添加了声波微共振腔, 选择的微共振腔长度为4 mm、 内径为0.5 mm, 最终获得了2.7 ppm的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。
C2H2气体 共振频率 微共振腔 QEPAS QEPAS C2H2 trace gas Resonance frequency Micro-resonator 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2869
可调谐激光技术国家级重点实验室 哈尔滨工业大学, 黑龙江 哈尔滨 150001
石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术, 具有体积小、灵敏度高等优点, 是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述, 并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍, 最后对该技术的发展前景进行了展望。
石英增强光声光谱 痕量气体检测 激光器 石英音叉 QEPAS trace gas detection laser source quartz tuning fork
1 哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站, 黑龙江 哈尔滨 150001
HCl是一种有毒有害气体, 对其高灵敏度探测具有非常重要的意义, 然而到目前为止, 采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。 石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 以5 000 ppm HCl∶N2混合气作为待测目标, 采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器, 开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 研究中, 首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论, 选择了“共轴”形式的声波微共振腔, 并对其尺寸进行了优化, 选择的微共振管长度为4 mm、 内径为0.5 mm。 实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 当QEPAS系统积分时间为1 s、 激光波长调制深度为0.23 cm-1时, 获得了815 ppb的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。 在后续的实验中, 可在待测HCl气体中加入水汽分子, 提高HCl分子的热弛豫速率, 进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。
HCl气体 波长调制 微共振腔 QEPAS QEPAS HCl trace gas Wavelength modulation spectroscopy Micro-resonator 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1033
1 哈尔滨工业大学 航天学院 光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 动力工程及工程热物理博士后流动站, 黑龙江 哈尔滨 150001
激光诱导等离子体点火是一种新颖的发动机点火方式, 这种技术点火位置精确可控, 点火延迟时间短, 无烧蚀作用, 还可实现同时多点点火, 能够提高发动机的燃烧效率, 具有良好的发展前景。主要针对用于激光诱导等离子体点火技术中的核心元件——激光光源的发展状况及最新成果作了全面的综述, 并对该种类型激光器的发展前景进行了展望。
激光诱导等离子体点火 固体激光器 被动调Q技术 laser induced plasma ignition solid-state laser passively Q-switched 红外与激光工程
2016, 45(11): 1136003
1 哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站, 黑龙江 哈尔滨 150001
火焰温度是燃烧领域最重要的宏观物理量之一, 使用紫外可调谐激光吸收光谱技术, 以火焰中的OH自由基作为测量对象对甲烷/空气平面预混火焰进行了温度测量。 首先使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对甲烷/空气平面预混火焰不同燃烧工况条件下火焰中的OH基分布进行了测量, 选取火焰中OH基分布均匀工况进行了紫外吸收光谱温度测量。 通过LIFBASE仿真计算, 综合考虑温度测量灵敏度、 测量信噪比等因素, 选择OH基A-X(0, 0)吸收带中的P1(2)和Q1(8)两支谱线作为被测跃迁。 测量时使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器, 经倍频后输出308~311 nm紫外可调谐激光。 通过染料激光器以0.4 pm为步长进行激光波长调谐, 分别扫描获得两条吸收谱线的吸收峰线型。 对实验数据进行voigt拟合后, 通过计算两条谱线的积分吸收值之比, 获得了平面预混火焰中的温度信息。 分别测量了燃烧器表面不同水平位置与燃烧器中心不同高度处的火焰温度。 测量结果与文献报道的采用同样结构燃烧器, 通过其他光谱技术获得的测量结果进行了横向对比。 在OH基浓度较高的火焰锋面区域测温结果吻合度较高, 验证了该技术测量结果的可信度。 由于其测量对象与双线OH-PLIF测温的一致性, 该技术未来可作为局部温度测量方法, 进一步应用于对双线PLIF等二维火焰温度空间分布测量结果的标定当中。
吸收光谱 燃烧诊断 温度 紫外激光 Absorption spectroscopy Combustion diagnostic Temperature Ultraviolef laser 光谱学与光谱分析
2016, 36(4): 1027