红外与激光工程
2020, 49(10): 20190525
红外与激光工程
2020, 49(9): 20190551
郑州工程技术学院 信息工程学院, 河南 郑州 450044
采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测, 由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响, 将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度, 文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面, 采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置, 构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面, 采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题, 采用积分分离比例-积分-微分控制算法, 使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验, 实验表明: 温度控制范围为18～42 ℃, 温度控制精度达到±0.08 ℃, 稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点, 为激光气体同位素探测提供了可靠保障。
气体同位素检测 多通池 温度控制系统 积分分离PID控制算法 gas isotope detection multi-pass gas cell temperature control system integral separation PID control algorithm 红外与激光工程
2019, 48(8): 0805006
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130061
2 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
3 吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
4 吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。 详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。 此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。 结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、 硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图。 而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为~0.026 V。 此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。 详细介绍了ICL扫描调制信号、 锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。 通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。 最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。 而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。 结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。 通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。
乙烷 带间级联激光器 波长调制光谱 多反射气室 Ethane Interband cascade laser Wavelength modulation spectroscopy Multi-pass gas cell
1 吉林大学, 集成光电子学国家重点联合实验室, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
根据一氧化碳（CO）气体分子在4.7 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为4.75 μm的量子级联激光器（QCL）和多反射气体吸收气室（MGC）设计了一种新型CO传感器。 该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL, 通过对其温度和注入电流进行调节, 最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线（2 103 cm-1）。 与此同时, 使用有效光程为16米的新型MGC（40 cm长, 800 ml采样容积）和液氮冷却碲镉汞中红外探测器, 有效提高了系统的响应灵敏度。 此外, 系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构, 有效地改善了入射光束的质量, 降低了由光源的不稳定而产生的噪声, 进一步提高了系统的检测灵敏度。 在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测, 结果显示, 该仪器工作稳定, 按信噪比为1计算, 可实现对一氧化碳气体的检测下限为5 μmol·mol-1。
一氧化碳 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波 Carbon Monoxide Quantum cascaded laser Multi-pass gas cell Spatial filtering 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1308
1 吉林大学, 集成光电子学国家重点联合实验室, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林农业大学信息技术学院, 吉林 长春 130118
3 吉林大学, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
根据中红外光谱吸收原理, 利用甲烷（CH4）气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性, 设计了一种基于量子级联激光器（QCL）和新型多反射长光程气体吸收气室（MPC）的甲烷气体传感器。 该仪器使用了可进行热电冷却、 工作在脉冲方式下、 中心波长为7.5 μm的QCL, 通过在室温条件下调节其注入电流（500 mA～1.6 A调节范围）, 其出射光波长可以扫过CH4（1 332.8 cm-1）气体吸收线。 同时使用了一种紧凑型MPC（40 cm长, 800 mL采样容积）, 使得系统有效总光程达到16 m。 此外, 系统中使用了参考气室, 并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求, 配合差分吸收光谱检测原理, 有效地改善了光束质量, 降低了由光源波动引起的噪声, 提高了仪器的检测灵敏度。 通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测, 该仪器的稳定性能良好, 按信噪比为1计算, 可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。
甲烷 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波 差分吸收 Methane Quantum cascaded laser Multi-pass gas cell Spatial filtering Differential optical absorption 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1291
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
2 法国滨海大学大气物理化学实验室, 法国 敦刻尔克 59140
利用量子级联激光器(QCL)结合新型小型化光学多通吸收池高灵敏度同时测量CO 和N2O 痕量气体。所用激光为工作在4.3 mm 附近的宽调谐、无跳模外腔量子级联激光器，激光在较短的时间内（1 s）连续波长扫描，并覆盖N2O（2203.73333 cm-1）和CO（2203.161 cm-1）两种分子的吸收谱线，从而实现对N2O 和CO 的同时测量。利用物理基长为12 cm 的新型小型化光学多通吸收池，探测光在吸收池内来回反射243次，有效光程达到29 m。利用波长调制吸收光谱和二次谐波探测技术实现了对N2O 和CO 的高灵敏度探测，测量系统的最低可探测浓度极限约为2.0×10-9（N2O）和1.7×10-9（CO）。
光谱学 光学多通池 量子级联激光 高灵敏度探测
