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
使用中心波长为1658.7 nm的可调谐半导体分布反馈式（DFB）激光器，基于离轴积分腔光谱（OA-ICOS）技术，对激光器调谐范围内的甲烷稳定碳同位素分子13CH4和12CH4的光谱进行同时测量。选取光纤耦合助推光放大器（BOA）实现激光器输出光功率的有效放大，在保证积分腔的模式噪声不变的情况下，提高了探测器的可探测光功率，显著增加了有效光程长度，进一步提高了测量结果的信噪比。最后，通过对体积分数为500×10-6的CH4标准气体进行长时间测量，当平均时间达到663 s时，同位素δ（13C）的探测极限达到0.56‰。该技术可为大气环境下甲烷中碳稳定同位素的测量提供参考。
光谱学 光功率放大器 离轴积分腔输出光谱技术 甲烷 碳同位素
1 太原科技大学 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心, 山西 太原 030024
2 太原科技大学 环境与安全学院, 山西 太原 030024
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所环, 安徽 合肥 230031
氨气排放会对环境以及人体健康造成危害，因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池，实现了近3000 m的光程，将中心波长为1528 nm的分布反馈式激光器（DFB）调谐至6548.611 cm−1和6548.798 cm−1附近，在常温18.6 kPa的气压下对1×10−5~5×10−5范围内NH3进行了检测。测量结果表明NH3浓度与信号幅值的线性拟合度R2可达0.99979。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10−9，在103 s时系统的最低检测极限可达7×10−9（S/N~1）。实验结果表明，该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度，满足对氨气高精度检测的需求，本文研究为国内自主研发痕量气体高精度检测设备提供了技术经验。
离轴积分腔输出光谱 氨气 高精度检测 Off-axis integrated cavity output spectroscopy NH3 High-precision detection
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 吉林省红外气体传感技术工程研究中心, 吉林 长春 130012
为了实现大气甲烷(CH4)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH4浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH4检测系统的最低检测下限为8×10 -9。利用开放光路的优势,开展了CH4泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH4泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。
传感器 离轴积分腔输出光谱 开放光路 天然气泄漏检测 中国激光
2021, 48(16): 1610002
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
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。
离轴积分腔输出光谱 波长调制 射频白噪声 腔模噪声 检测极限 Off-axis integrated cavity output spectroscopy Wavelength modulation RF white noise Cavity mode noise Detection limit 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2657
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室, 江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室, 江西 南昌 330063
介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392 μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60 cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87 cm
-1的CH4吸收谱线,对不同浓度的CH4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203 s。实验选取100 s的测量时间,得出CH4气体的探测极限为8.7×10
-7,相应的最小的可探测吸收为2.2×10
-6 Hz
-1/2。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。
光谱学 激光吸收光谱 波长调制光谱技术 离轴积分腔输出光谱 二次谐波 二次谐波与一次谐波之比
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学研究室,安徽合肥 230031
2 中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥 230031
3 中国科学院空间科学与应用研究中心空间信息与仿真技术研究室,北京 100190
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学研究室,安徽 合肥 230031
5 中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031
基于离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)的小型集成系统以工作在近红外1.531μm 附近的分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源,测量了室温下各种低浓度NH3与空气的混合气。首先利用标准浓度的CO2气体校准得到腔镜的有效反射率R为0.9969,在此条件下,基长35.8cm的光学谐振腔作为吸收池可得到115.46m的吸收光程。NH3在6528.764cm-1位置的强吸收谱线被选择用于痕量探测,在100 torr的总压力下,实验测得NH3的探测极限为2.66ppmv(S/N～3),之后结合波长调制技术,在信号检测通路中采用锁相放大技术来实现调制信号的二次谐波检测,这可以更好地抑制背景噪声而提高探测信号的信噪比,最终将NH3的探测极限进一步提高到0.274ppmv(S/N～3)。
离轴积分腔输出光谱技术 波长调制 二次谐波 探测极限 Off-axis integrated-cavity output spectroscopy Wavelength modulation Second harmonic Ammonia NH3 Detection limit 光谱学与光谱分析
2009, 29(12): 3173
