采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置。选取2 004 nm处CO2分子吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小。设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池,使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真,光线追迹后理论光程可达到1 350 mm,实际光程由50 mm增加到300 mm,检测浓度下限数值由原先的1 300 ppmv降低到214.28 ppmv,有效提高了系统的检测下限能力。配置不同浓度的CO2气体检测,得到二次谐波信号幅值与浓度之间呈现很好的线性关系,其拟合系数为0.998 39,可通过拟合直线方程计算得出待测气体的浓度。配置300 ppmv的CO2进行Allan方差分析,积分时间到101.6 s时,Allan方差处于平稳状态,检测系统的灵敏度为1.51210-5。检测结果表明检测装置实现了对CO2气体浓度准确测量。该装置可进行结核分枝杆菌呼吸产生的CO2气体浓度进行检测,为肺结核病诊断提供依据。
TDLAS-WMS 谐波信号 痕量气体检测 DFB激光器 CO2 TDLAS-WMS Harmonic signal Trace gas detection DFB laser CO2
1 中国科学技术大学合肥微尺度物理科学国家实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子物理卓越创新中心, 安徽 合肥 230026
氢气作为潜在的能源载体和工业材料,在众多领域发挥着日益重要的作用。在很多应用中, 对氢气的检测需要有更高的灵敏度、更快的响应和更大的动态测量范围。腔增强拉曼光谱法 (CERS) 通过 Pound-Drever-Hall (PDH) 稳频技术将激光和高精细度的光学谐振腔锁定, 实现了 1900 倍的腔内功率增益, 用于痕量氢气的检测。在 7 mW 的激光输入功率下, 当积分时间为 100 s 时, 自行搭建的腔增强拉曼光谱装置对 H2 的检测限为 2 Pa。实验结果还表明拉曼散射强度与激光功率和气体压力具有良好的线性关系, 示范了 CERS 方法高精度气体定量分析的潜力。
光谱学 痕量气体检测 腔增强拉曼光谱 氢气 光学谐振腔 Pound-Drever-Hall 技术 spectroscopy trace gas detection cavity-enhanced Raman spectroscopy hydrogen optical resonant cavity Pound-Drever-Hall technique
1 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室, 激光光谱研究所, 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
多通池 (MPC) 作为可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术的核心器件, 用于增加探测光束与待测气体样品之间的相互作用距离, 从而提高探测灵敏度。近年来, 随着激光光谱传感器对小型化、便携性的需求逐渐增加, 小体积且长光程的多通池成为当前的研究热点。对当前主流发展的多通池设计原理和应用研究进行了综述, 首先介绍了目前国际上常用的赫里奥特多通池理论计算模型和基于球面镜像差理论的双球面镜多通池计算模型, 进而讨论了基于微型多通池和可调谐半导体激光的吸收光谱传感系统的搭建,以及小体积、长光程多通池的性能优势, 最后展望了微型多通池的发展方向与应用前景。
光谱学 多通池 可调谐半导体激光吸收光谱 痕量气体检测 spectroscopy multi-pass cell tunable diode laser absorption spectroscopy trace gas detection
1 智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 南洋理工大学电气电子工程学院, 新加坡 新加坡 639798
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。
光谱学 光声光谱 痕量气体检测 有限元方法 光声池 声学模态值
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 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
以标准商用石英音叉(QTF)为测声模块的石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种痕量气体检测技术。 标准商用QTF拥有的小体积, 高Q值, 高共振频率的特性使QEPAS技术具有结构紧凑且对环境噪声免疫的特性。 但传统商用QTF狭窄的振臂间距以及较高的共振频率, 使其无法在光源光束质量较差或被测气体弛豫率较低的情况下被很好的应用于QEPAS系统。 为克服上述难题, 非标准商用QTF(f0≠32.7 kHz)被设计制作并越来越多的被装配于QEPAS系统中。 因此, QTF共振频率对QEPAS系统信噪比的影响需要被详细研究。 以水汽为目标气体, 采用二次谐波调制解调技术研究了QTF共振频率对基于QEPAS技术传感器性能的影响。 实验结果表明, QTF共振频率的变化对QEPAS系统的输出信号及噪声均有显著影响且QTF共振频率与QEPAS系统信噪比之间存在反比关系。 上述结论对QEPAS系统中非标准QTF的设计及使用均具有重要的指导价值, 对该类传感器的研发及应用意义重大。
石英增强光声光谱 石英音叉 光学气体传感器 痕量气体检测 Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy Quartz tuning fork Optical gas senor Trace-gas detection 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 3056
1 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044
2 国网浙江省电力有限公司, 浙江 杭州 310012
为了提高微量气体的拉曼散射强度, 本文设计并搭建了注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测平台。半导体激光器(波长为638 nm, 功率为15 mW)输出到由三块高反镜组成的V型增强腔中, 结合注入锁定技术, 腔内激光强度达到7.5 W, 实现了500倍的增强效果。利用该实验平台对微量单一气体及其混合气体进行了拉曼检测, 并根据拉曼特征谱峰选取原则及信噪比大于3的原则, 确定了H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2的特征拉曼谱峰分别为4 156, 2 143, 1 388, 2 918, 2 955, 1 344, 1 975 cm-1, 最小检测极限分别为10.2, 21.7, 9.4, 2.1, 8.9, 4.9, 3.3 Pa。腔增强拉曼光谱法可以实现微量同核双原子气体检测及利用单一波长激光的混合气体同时检测, 具有替代气体检测传统光谱方法的潜力。
拉曼光谱 痕量气体检测 腔增强 注入锁定 Raman spectroscopy trace gas detection cavity enhancement injection locking
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省光电子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点, 是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展, 腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展, 在环境监测、医疗诊断、**建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述, 从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发, 基于不同的光源描述常见的实验配置, 其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况, 并总结了目前该技术在不同领域的应用, 最后对各装置的发展前景进行了展望。
光谱学 腔增强吸收光谱技术 谐振腔 痕量气体检测 同位素分析