针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题, 提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型, 并模拟分析其辐射特性, 计算总体吸收性能。针对给定的波长范围, 通过对超材料吸收器的结构参数的改变, 对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明, 介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响, 结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值, 提升吸收器的总体吸收效率, 在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。

CO分子在4.6 μm 具有最强吸收峰, 以此作为气体吸收的中心波长, 结合光源EMS200光源的发光特性, 设计开放式的球面反射镜气室, 采用单探测器双通的结构, 研制了一种中红外差分式CO检测仪。利用模拟混合气站配备标准的CO气体浓度, 对该仪器的相关性能开展研究。研究表明: 仪器分辨率为20 ppm(1 ppm=10-6), 最低检测下限为18 ppm。CO浓度在30~1 500 ppm范围内, 其测量误差不超过8.5%。与激光光谱技术的CO检测仪相比, 该系统采用脉冲红外热光源, 其性价比高; 采用开放球面反射镜气室, 光路简单易于实现。所以该CO检测仪在煤矿开采、环境监测、石油化工等领域具有较高的实际应用价值。

为了能高灵敏度地检测CO2气体的体积分数, 基于红外光谱吸收原理, 设计了一种以9m长的空芯光子晶体光纤作为传感单元的CO2气体传感器。利用该传感器测量了不同体积分数的CO2在同一吸收波长下的吸收光谱图。结果表明, 气体的吸收光强和气体的体积分数之间呈线性变化, 与比尔-朗伯定律一致; 传感器的灵敏度可达4.389×10-5W。可通过加长光子晶体光纤的长度, 来增加气体吸收的有效距离, 使传感系统获得较高灵敏度。

根据时-空守恒元算法得到的脉冲爆轰发动机管外流场分布结果, 针对燃气流场分布进行了重建模型假设, 给出了一种基于多谱线吸收光谱技术的爆轰发动机管外流场燃气参数测试方法, 并对重建模型偏差及计算方法误差进行了仿真研究。 针对80 mm口径无阀式气液两相连续脉冲爆轰发动机设计搭建了爆轰燃气管外流场测试系统, 通过10 kHz高频扫描四条H2O吸收谱线采用直接吸收法结合时分复用技术同时对爆轰燃气流场进行扫描测试, 实现了脉冲爆轰发动机管外流场的在线监测, 并通过多点同时测试首次对管外流场燃气温度分布进行了重建, 验证了测试方法的可行性。 本研究为拓展激光吸收光谱技术应用于爆轰领域全方面诊断提供了实验支撑, 对推进爆轰机理研究、 爆轰噪声影响因素及噪声控制研究具有重要意义。

为了研究应用于生物细胞打印的琼脂糖凝胶的光学特性, 将不同比例的琼脂糖粉末与蒸馏水混合后加热, 溶解冷却形成不同浓度的琼脂糖凝胶。测量琼脂糖热溶液冷却过程中55 ℃时的琼脂糖溶液的折射率及琼脂糖凝胶的折射率。通过对比细胞培养液的折射率, 获得作为生物打印基质材料和生物支架的琼脂糖凝胶最佳浓度为0.786%。测量琼脂糖凝胶的可见、近红外透射光谱及衰减全反射红外吸收光谱, 结果显示琼脂糖凝胶在400~1 100 nm波段没有特征吸收峰, 而且最大吸收只有0.171Abs; 在红外波段琼脂糖凝胶的吸收特性与细胞培养液基本相同, 细胞培养液在2 966 cm-1处的特征吸收峰是培养液独有的。对琼脂糖凝胶表面的激光散射特性进行研究, 结果表明, 440 nm激光的散射最强, 532 nm激光散射最弱; 琼脂糖凝胶浓度越小, 散射越强。

为了在矿井中实现快速、 便携式的甲烷浓度检测, 同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期, 设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法, 建立了井下甲烷浓度无线检测系统。 系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变, 从而获得了两个相近波长的激光, 其中一个在甲烷的特征吸收峰上, 而另一个基本不被吸收。 实验中将两束光分别照射被测气室时, 两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。 实验结果显示, 调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中, 输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变, 由1 650.888 nm改变为1 651.020 nm。 通过HITRAN光谱数据库可知, 波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰, 而波长1 651.020 nm适合作参考波长。 在此基础上, 对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试, 采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。 两种检测结果相近, 但随着浓度不断地增高, 该系统的检测误差相对平稳, 略优于甲烷检测仪。 系统的检测误差均低于0.050%, 在不采用昂贵的锁相器、 检相电路的条件下, 实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。

分子光谱理论是光谱吸收式光纤气体传感器的理论基础，对于光纤红外法检测有毒气体的浓度具有重要意义。根据朗伯-比尔（Beer-Lambert）理论，首先从甲烷（CH4）气体浓度的定量分析以及分子参数的理论进行研究，再通过分析 CH4气体的吸收线得出其吸收系数α(v)的一般方法。由分析得当气体压强 P＜0.02 atm时多普勒展宽占优势，用高斯线型拟合吸收线；当 P＞0.l atm时碰撞展宽占优势，用洛仑兹线型拟合吸收线；当 0.02 atm＜P＜0.l atm时两种展宽都存在，这时用伏格特线型拟合吸收线，理论上得到很好的结果。

An air-silica microstructure optical fiber based on the anti-resonant reflecting optical waveguide (ARROW) principle was used to develop a spectral absorption gas sensor. The ARROW fiber has an air core and an air cladding layer. An ARROW fiber with a length of 725 mm was used to construct a sensing system to detect acetylene gas. The gas was injected into the fiber from one end of the fiber. The transmission spectra were collected using an optical spectrum analyzer. The results indicate that the system can detect the gas of different concentrations and has the good system linearity. The response time of the system is about 200 s.

甲烷是瓦斯的主要成分, 是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理, 给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径, 包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出, 光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注, 其中差分吸收法的抗干扰能力强, 系统可靠性高, 具有较强的工程应用价值。