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
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
中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
呼气异戊二烯是一种内源性代谢产物, 其含量与人体血液中的胆固醇水平存在关联。 但人体呼气影响因素众多, 寻找其与胆固醇水平诊断参数的定量相关性, 需要对选取的特定人群进行有效的呼吸气体分析(实时、 在线、 高灵敏度、 高选择性、 高精度的大量呼气数据获取)。 光腔衰荡光谱(CRDS)是一种具有极高灵敏度、 稳定性和选择性的光谱技术。 采用目前市场在售的单波长紧凑型半导体紫外激光器, 搭建了一套基于CRDS的呼气异戊二烯分析仪, 该分析仪主要由激光系统、 真空腔体、 光电探测模块以及数据采集模块构成。 线性拟合的结果显示所获得的衰荡信号接近单指数衰减(R2=0.998 39), 符合朗伯-比尔定律。 探究了不同信号平均次数对衰荡信号稳定性的影响, 综合考虑衰荡信号的稳定性和分析仪的响应时间, 采用128次作为实验过程中的信号平均次数。 对呼气异戊二烯分析仪的性能进行了测试, 为了表征分析仪的稳定性, 持续测量了分析仪16 min的真空衰荡时间。 使用氮气、 空气和呼吸样本, 测量了呼气异戊二烯分析仪的重复性和响应速度。 为了测试分析仪的线性度, 测量了不同粒子数密度的异戊二烯标准气体(10×10-9, 30×10-9, 50×10-9, 100×10-9, 200×10-9)的衰荡时间。 最后分析了在224 nm测量异戊二烯存在的光谱干扰问题(NO, N2O和丙酮)。 实验表明: 分析仪具有高的灵敏度(检测极限为0.49×10-9)、 良好的重复性、 稳定性(0.48%)、 近实时的响应速度(1秒测量一个数据)和良好的线性度(R2=0.993 13), 将检测极限提高至现有水平的1/1 000。 研究证明基于CRDS的便携式呼气异戊二烯分析仪可实现对人体呼气异戊二烯的有效分析。
光谱学 光腔衰荡光谱 呼气异戊二烯 痕量分析 Spectroscopy Cavity ringdown spectroscopy Breath isoprene Trace analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2415
中国计量科学研究院环境计量中心, 北京 100029
为了有效减小光腔衰荡光谱仪中光腔的体积,设计了一种Z型折叠腔结构,其外部尺寸仅为26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm,展开的光腔长度为73.8 cm。采用傍轴高斯光束传输方程对实验光路进行仿真,通过调节两个凸透镜的焦距和位置,实现了光腔内激光模式与光腔模式的完美匹配,确保激光在腔内以横基模TEM00模式存在。实验中,采用数字延迟脉冲发生器触发声光调制器,开断激光,并高速采集衰荡信号,验证了所设计的折叠腔在光腔衰荡光谱仪上应用的可行性。对实验数据进行指数拟合,所得最大残差不超过0.004 μW,衰荡时间为0.852 μs,与理论计算结果相符。所设计的Z型折叠腔结构紧凑,可用于商业化小型光腔衰荡光谱仪。
光谱学 光腔衰荡光谱技术 Z型折叠腔 模式匹配 数据采集
1 北京工商大学计算机与信息工程学院, 北京 102488
2 中国计量科学研究院, 北京 100029
针对光腔衰荡光谱(CRDS)的吸收光谱曲线,利用MATLAB工具软件和最小二乘算法对常用的6种气体吸收光谱拟合算法(VP、GP、AVP、AGP、SDVP、SDAVP算法)进行编程,并设计了参数设置、拟合结果显示等界面化窗口;通过CRDS采集已知浓度CO2气体的吸收光谱;采用6种算法对吸收光谱进行拟合实验,比较6种不同线型算法的拟合误差。拟合结果显示:拟合曲线和测量点几乎完全重合;AVP算法拟合的平均残差最大,为3.1748×10 -3, GP及AGP算法的平均残差最小,为1.3212×10 -3,由此验证了6种线型算法在气体吸收光谱曲线拟合中的可行性;AVP算法的运算时间最短,为1.7516 s,SDAVP的运算时间最长,为389.682 s,GP算法的运算时间小于AGP算法。综合考虑残差与运算时间后认为,GP算法最适用于CRDS光谱线型的拟合。
光谱学 气体光谱 吸收线型 拟合算法 光腔衰荡光谱法 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 193004
上海理工大学能源与动力工程学院上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
基于激光诱导炽光(LII)法和光腔衰荡光谱(CRDS)技术,搭建了用于研究火焰碳烟颗粒的测量平台,并对其性能参数进行了表征。碳烟颗粒路径积分衰减系数测量结果表明,双色LII测试系统和CRDS系统相互独立。同时运行双色LII和CRDS系统,测量得到的路径积分衰减系数随着火焰高度的增加先增大后减小,两个系统的测量结果具有较好的相关性。通过优化拟合模型及去除系统噪音,获得了较好的光腔衰荡信号拟合结果。
测量 激光诱导炽光法 光腔衰荡光谱技术 碳烟颗粒 扩散火焰 燃烧
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 电子科技大学光电科学与工程学院, 四川 成都 610054
压强是工业生产过程中的一个重要参数, 其准确测量是过程控制的关键。 气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、 气压等因素, 利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应, 可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息, 实现压力计校准。 提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。 采用5.2 μm可调谐量子级联激光器, 基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。 室温下, 测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线, 线宽为0.084 21 cm-1, 重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1, 对应的压强大小为98.12 kPa, 检测灵敏度优于0.18 kPa, 与高精度压力计读数98.14 kPa一致。 利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1, 与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。 实验校准了一小量程压力计。 结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。
光腔衰荡光谱 量子级联激光器 压力展宽 Cavity ring-down spectroscopy Quantum cascade laser Pressure broadening 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1031
1 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件, 为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求, 负离子源成为中性束注入系统的首选。 光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。 在强流负离子源中, 利用氢负离子的光致剥离过程, CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。 与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比, CRDS具有不受电磁干扰、 不依赖等离子体参数、 测量精度高等优点。 强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、 光学谐振腔、 光电探测器和数据采集系统四部分组成。 本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理, 详细推导了氢负离子密度的计算方法, 给出了氢负离子密度测算表达式; 然后, 结合强流离子源实验室应用的具体情况, 分析了各部分装置的选择原则与注意事项; 最后, 介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、 日本国立聚变科学研究所、 意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。 实验结果表明, 源腔气压、 源功率等源参数会影响氢负离子密度; 铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级; 同时, 日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。
光腔衰荡光谱 氢负离子 强流离子源 Cavity ring-down spectroscopy Negative hydrogen ion High power ion source
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
4 美国密西西比州立大学, 美国 密西西比 MS 39762
呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域，也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来，激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比，激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点，而且具有低成本、实时性及即时检测（POCT）的功能特点。目前，在已确定的35种呼吸生物标记物中，研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验，其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。
医用光学 呼吸气体分析 生物标记物 可调谐半导体激光吸收光谱 光腔衰荡光谱 光声光谱
