强激光与粒子束
2024, 36(1): 011002
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
2 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
3 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上, 采用脉冲式光腔衰荡光谱技术（cavity ring-down spectroscopy, CRDS）实现了对OH分子浓度的定量测量。 根据光腔衰荡吸收光谱理论, 选取OH的A2Σ+-X2Π(0,0)电子跃迁带中的P1(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。 脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm, 并测量空腔（光腔中无火焰）的衰荡时间为2.33 μs。 通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数, 分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)、 相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、 高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。 当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min-1)和空气(15 L·min-1)且在距离炉面高度为6 mm时, 采用PLIF技术测量的有效吸收长度比直接选用燃烧器炉面直径作为吸收长度的精度提高7.1%, 室温下利用CARS技术测量的温度要比热电偶测量的温度精度提高45%, 衰荡光腔内有火焰且选用非OH吸收波长时测得的光腔衰荡时间要比采用空腔时测得的光腔衰荡时间精度提高21.6%。 因此, 通过以上多种测量技术相结合的方式精准测量各实验参量, 最后得到OH分子数密度在距离炉面高度为6 mm时达到最大值（3.59×1013 molecules·cm-3）且OH浓度精度要比于未修正的OH浓度提高了35.6%。 另外, 在不同当量比下（Φ=0.7～1.1）, OH粒子数密度都会随着距离炉面高度的增加而减少, 通过曲线拟合发现OH浓度随着距离炉面高度的增加呈e指数衰减。 在同一燃烧高度的富氧燃烧状态下, OH浓度随着当量比的增加而增加; 当甲烷流量保持恒定时, 富氧燃烧状态下的OH浓度要高于低氧燃烧状态下的OH浓度。 在燃烧场中, 采用这种多光谱技术相结合（CRDS-CARS- PLIF）的精准测量方式不仅能够实现对OH浓度精准的定量测量提高了测量精度, 还可为定量测量其他燃烧产物分子的浓度提供技术支撑, 对研究燃烧化学反应起着至关重要的作用。
光腔衰荡光谱 有效吸收长度 高温测量 衰荡时间 OH浓度 CRDS (cavity ring-down spectroscopy) Effective absorption length High-temperature testing Ring-down time OH concentration 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3955
为了更准确地分析空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统, 建立了考虑系统噪声的气体体积分数传感理论模型。采用该模型对空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统的性能进行了仿真和讨论。结果表明, 利用空域无源光纤腔衰荡传感技术, 通过测量衰荡距离, 可实现灵敏度高达56.226 km-1的乙炔体积分数的测量, 稳定性达0.47%, 检测极限达260.577×10-6, 且稳定性和检测极限还可通过减少光纤腔的固有腔损耗得到进一步的提高。此研究对于体积分数传感系统的优化设计应用具有理论指导意义。
传感器技术 体积分数 空域无源光纤腔衰荡传感系统 频移干涉 灵敏度 sensor technique volume fraction space-domain passive fiber cavity ring-down sensin frequency-shifted interferometry sensitivity
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，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
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 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
3 中国科学院计算光学成像技术重点实验室，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
锁频技术极大地促进了腔衰荡光谱技术在光谱吸收领域的发展，使腔衰荡光谱技术具有更高精度、更好灵敏度以及更稳定等优势。本文基于经典腔衰荡光谱技术和锁频技术基本原理，对锁频技术在吸收光谱领域的研究现状以及在大气痕量气体等不同领域的应用进行综述，列举了几种现阶段腔衰荡光谱领域使用较多的锁频技术并对其进行了分析。最后结合现阶段锁频技术和腔衰荡光谱技术的发展趋势对锁频技术的应用前景进行了展望。
光谱学 腔衰荡吸收光谱 锁频技术 气体检测 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0900005
