1 太原科技大学 应用科学学院，山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心， 山西省光场调控与融合应用技术创新中心，山西太原030024
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏徐州1116
为了实现煤热解过程中痕量乙烯（C2H4）标识气体的在线识别与检测，结合波长调制与长光程技术，搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源，有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池，利用SR830进行波长解调，通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器，利用高纯氮气稀释乙烯配比，制备得到10×10-6到90×10-6的标准乙烯样气，其线性拟合的相关系数R2为0.998 9；对浓度为20×10-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析，实验结果表明，检测极限为121×10-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律，控制气体流速为150 mL/min，分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现，当温度小于500 ℃时，3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致，当温度在500~700 ℃时，氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体，但空气中乙烯释放的增速最快，最大释放量约为40×10-6，温度高于700 ℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 乙烯 Allan方差 波长调制 煤热解 tunable diode laser absorption spectroscopy ethylene allan variance wavelength modulation 
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 光子器件与材料安徽省重点实验室，合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光机所 中国科学院环境光学与技术重点实验室，合肥 230031
3 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，合肥 230026
4 国防科技大学 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230026
5 合肥师范学院 物理与材料工程学院，合肥 230601
6 蚌埠学院 电子与电气工程学院，蚌埠 233030
7 国家管网集团科学技术研究总院分公司，廊坊 065000
8 苏黎世联邦理工大学，量子电子学研究所，瑞士 苏黎世CH-8093
9 思克莱德大学，电气与电子工程系，英国 格拉斯哥G11XW
10 台湾云林科技大学 环境与安全卫生工程系，云林64002
稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法，基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术，作为一种较新的同位素丰度测量方法，具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点，得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例，阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下，选取了合适的同位素测量谱线对，实现了大气CO2气体的13C测量精度为0.3‰，煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰，冰川水H2O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰，以及呼吸气体中的13CO2判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性，也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势，将是光谱研究领域关注的重点内容，并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。
气态同位素 可调谐半导体激光吸收光谱技术 积分腔吸收光谱技术 腔衰荡吸收光谱技术 Gas isotope Tunable diode laser absorption spectroscopy Integrated cavity output spectroscopy Cavity ring-down absorption spectroscopy
1 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
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 国家电网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 404100
展示一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的微型化纳米光纤甲烷传感器。在比尔-朗伯定律的基础上，选择1.6 μm附近的甲烷吸收线，对分布式反馈半导体激光器（DFB-DL）进行波长调制，使用锁相放大器解调出二次谐波信号，建立一套完整的基于纳米光纤的TDLAS系统。使用该系统测量室温下不同入射功率和不同压强对二次谐波信号的影响，同时获得了该系统的压力展宽系数和压力频移系数，发现直径较小的纳米光纤可以对甲烷产生更强的吸收。所设计的纳米光纤传感器是一个在低功率条件下进行微量气体测量的有力工具，在气体种类分析和定量分析方面有着巨大的应用潜力。
激光光谱技术 可调谐半导体激光吸收光谱技术 分布式反馈半导体激光器 纳米光纤 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0628011
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
针对已有的可调谐二极管激光吸收光谱-波长调制光谱（TDLAS-WMS）中所需的谐波检测二倍频信号产生往往需要复杂的“倍频-比较-移相”电路，提出一种新型的TDLAS-WMS控制信号产生方法：利用现场可编程门阵列（FPGA）控制高速数字/模拟（D/A）产生锯齿波扫描信号和正弦波调制信号，叠加后控制激光器实现波长调制扫描；同时，FPGA依据相位信号同步输出一个正弦波调制信号的二倍频方波信号，加入延时补偿环节后，与探测器模块接收到的吸收信号中的正弦波调制信号的相位差为零，解调经过气体吸收后的调制扫描信号。设计了基于该方法的TDLAS-WMS系统方案、高速D/A转换电路、延时电路及FPGA控制流程，实验验证了正弦信号与其二倍频方波延时信号的同步性，将该方法用于某气体检测系统，成功地检出了与浓度相关的二倍频吸收信号，检出幅值得到一定提升，从而验证了该方法的有效性。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制 延时补偿 现场可编程门阵列 锁相放大 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0530001
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
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
海洋与大气交换的CO2通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标, 其估算方法主要依赖于海水中CO2的测量。 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)作为一种常用的气体浓度检测技术, 因其具有较好的环境适应性、 选择性和较高的灵敏度, 亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。 为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO2原位探测的可行性, 将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合, 实现了海水中溶存CO2的原位探测。 为适应水下的复杂环境, 样机整体被设计为铝合金密封舱结构, 具有良好的密封性、 耐压性与耐腐蚀性。 激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器, 其波数扫描范围为4 992~4 994.5 cm-1, 可覆盖CO2在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。 渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X, 可满足样机在深水区长期探测的目的。 为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求, 样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池, 有效吸收光程可达8 m, 内部仅需气体量24 mL, 具有良好的吸收特性。 在实验室对样机进行校正实验, 使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6, 503×10-6, 802×10-6, 1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO2气体进行测量, 测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%, 最大相对误差小于8%, 减小了样机误差对测量值的影响。 为评估样机长时间工作的稳定性, 使用样机对浓度为802×10-6的标准CO2气体进行了30 min的连续测量, 平均测量浓度为802.6×10-6, 其波动范围仅为10×10-6, 样机精度约为0.5%, 可满足水中溶存气体探测的要求。 选取水深3米的近海码头进行试验, 成功获得了24 h水中CO2的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果, 验证了样机水下工作的能力与稳定性。 通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验, 成功获取溶存CO2的典型吸收光谱, 证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。
溶存CO2气体 可调谐半导体激光吸收光谱 渗透膜 原位测量 Dissolved carbon dioxide gas Tunable diode laser absorption spectroscopy Permeable membrane In-situ measurement 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1264
1 太原理工大学电气与动力工程学院热能工程系，山西 太原 030024
2 太原锅炉集团有限公司博士后工作站，山西 太原 030024
基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的波长调制（WMS）技术是一种有效的痕量气体检测技术，具有高选择性、高精度、高灵敏度、实时在线监测等优点。现场测量过程中，背景噪音和光学条纹等的影响会严重降低系统的测量精度，影响浓度测量结果。为了有效消除这些噪音给测量带来的影响，提高系统信噪比（SNR），提出一种基于小波变换结合经验模态分解（EMD）的数字滤波降噪方法。对低质量浓度的NH3进行测量，分别采用小波变换滤波、经验模态分解滤波、小波变换结合经验模态分解滤波对获得的二次谐波信号进行降噪处理。实验结果表明，小波变换结合经验模态分解滤波相对于其他两种滤波方法效果最优，且对质量浓度为11.38 mg/m3的NH3，信噪比由28.4 dB提高至446 dB，大大提高了系统测量精度。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 小波变换 经验模态分解 降噪 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1830003
