1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 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光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 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中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000
实现乙烯气体（C2H4）实时在线精确检测对石油化工、煤矿等行业安全具有重要意义，但是C2H4在近红外波段的谱线强度信息不明确，具有谱带吸收特征，且与CH4有明显的混叠干扰，因此对其浓度进行精确检测是目前激光吸收光谱测量面临的共性技术难题。将波长调制光谱中的标定方法与直接吸收光谱相结合，提出了一种适用于C2H4气体检测的标定直接吸收光谱法（CDAS）。该方法不需要激光吸收光谱反演过程中的确切谱线强度信息，并克服了波长调制光谱在测量过程中出现的非线性效应。为了避免特定工况（如煤矿）中CH4的干扰，实验装置采用了高精度压强控制系统，并且在100 mbar（1 bar=105 Pa）稳定压强下实现了CH4和C2H4混叠光谱的分离。实验过程中对1626 nm附近的CH4和C2H4仿真和实测吸收光谱进行了分析，确定了C2H4的标定光谱范围，进而验证了该方法在体积分数低于100×10-6的范围内，对C2H4气体的检测误差不超过-1.47×10-6，并且测量体积分数与标准体积分数之间的线性拟合优度达到了0.999。对体积分数为10×10-6的C2H4直接吸收光谱进行分析，以1倍信噪比对应的浓度作为检测下限进行等效计算，得到检测下限为1.38×10-6。在Allan方差分析中，积分时间为77 s时检测精度达到了0.04×10-6。以上实验结果充分说明了标定直接吸收光谱法能够在近红外波段实现C2H4的精确检测，并为此类气体的检测提供了一种新思路。
光谱学 乙烯气体（C2H4） 近红外光谱 谱带吸收 标定直接吸收光谱 高精度压强控制
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 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 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 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
二氧化碳作为大气中重要的温室气体, 与气候变化和人类活动密切相关, 因此对其浓度的探测具有重要意义。 利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池, 实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。 通过Matlab编写光线传输矩阵, 优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池, 相比于传统Herriott型多通池, 具有腔镜利用面积高、 在相同体积内可实现有效光程长等特点, 在物理基长为15 cm的情况下, 实现了14 m的有效光程。 实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器, 采用直接吸收光谱方法对CO2气体进行了探测研究, 并用Allan方差对系统性能进行了分析。 结果表明, 在平均时间为5 s时, 系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1, 平均时间为235 s时, 系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。 此外, 利用该系统实现了大气中CO2的探测, 得到大气中的CO2浓度为383.4 μL·L-1。 基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统, 结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、 高分辨率、 快速响应的优点, 大大减小了系统体积, 提高了系统探测灵敏度, 在气体探测领域有广泛的应用。
可调谐激光 直接吸收光谱 光学多通吸收池 二氧化碳 探测 Tunable laser Direct absorption spectroscopy Optical multi-pass absorption cell Carbon dioxide Detection
中国人民解放军装备学院激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
基于吸收光谱的基本原理, 通过计算比尔-朗伯定律数学表达式中的参数实现了光程长度的测量。 分析了高斯线型、 洛伦兹线型和Voigt线型, 采用了Voigt线型对光谱信号进行拟合。 研究了Voigt线型峰值计算方法、 洛伦兹线宽计算和误差函数求解三个内容。 利用可调谐半导体激光吸收谱技术（TDLAS）中的直接吸收谱技术测量了氧气的吸收光谱, 得到拟合的光谱峰值数据。 将峰值数据带入比尔-朗伯定律数学表达式中, 计算出实验光程长度为66.55 cm。 对比测量值66.04 cm, 测量精度为0.78%, 该方法用于光程长度测量是可行的。
光程长度测量 直接吸收谱 比尔-朗伯定律 峰值计算 Light length measurement Direct absorption spectroscopy TDLAS TDLAS Beer-lambert law peak value calculation 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2844
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 徐州师范大学 物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
采用分布反馈式半导体激光器作为探测光源，结合程长为100 m的离散型多通吸收池，采用直接吸收光谱技术，对室温下中心波长2.33 μm附近各种低体积分数的CO及混合气体（CO,CH4和N2）的直接吸收光谱进行了测量。选择CO在4 288.289 8 cm-1位置的吸收谱线和CH4在4 287.650 15 cm-1处的吸收谱线进行痕量探测，在40 698 Pa的总压力下，实验测得CO的探测极限为8.15×10-6(信噪比约为216），CH4的探测极限为18.48×10-6(信噪比约为147）。
直接吸收光谱 离散型多通吸收池 探测极限 direct absorption spectroscopy astigmatic mirror multipass absorption cell carbon monoxide CO CH4 methane detection limit
中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
用激光吸收光谱方法对大气水汽浓度检测进行了研究。采用窄线宽的半导体激光器作光源,通过直接吸收 光谱技术来反演气体浓度。低阶多项式对直接吸收信号进行基线拟合以消除光强波动获得吸光度曲线,再 用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线型拟合获取积分吸光度,从而根据HITRAN数据库中或实验 室测定的吸收线强和展宽系数等参数来进行水汽浓度的直接反演。选取了1.4 μm附近的两条水汽吸收线进 行了浓度检测验证和分析。
大气水汽 直接吸收光谱 吸光度 非线性最小二乘算法 atmospheric water vapor direct-absorption spectroscopy absorbance non-linear least-squares method
