Yibo Wang 1,2Hongwei Zhang 1,2Chenhao Zhao 1,2Gang Zhao 1,2,*[ ... ]Weiguang Ma 1,2,**
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Quantum Optics & Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
2 Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
The dual-mode stabilization scheme has been demonstrated as an efficient way to stabilize laser frequency. In this study, we propose a novel dual-mode stabilization scheme that employs a sizable Fabry–Pérot cavity instead of the microcavity used in previous studies and has enabled higher bandwidth for locking. The results demonstrate a 30-fold reduction in laser frequency drift, with frequency instability below 169 kHz for integration time exceeding 1 h and a minimum value of 33.8 kHz at 54 min. Further improvement could be achieved by optimizing the phase locking. This scheme has potential for use in precision spectroscopic measurement.
Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011401
宋健超 1,2张雷 1,2,*马维光 1,2尹王保 1,2,*贾锁堂 1,2
作者单位
摘要
1 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学激光光谱研究所, 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
实时获知煤炭发热量对于及时调整电站锅炉风粉配比和提高煤炭燃烧效率具有重要意义,为了实现电力生产中发热量的稳定快速检测,提出了一种近红外光谱(Near Infrared Spectroscopy, NIRS)与X射线荧光光谱(X-ray Fluorescence, XRF)联用的煤炭发热量高稳定检测方法,它结合了NIRS能高稳定检测煤中与发热量正相关的有机基团的优势与XRF能高稳定检测与发热量负相关的成灰元素的特点,大大提高了对煤炭发热量的测量重复性。在光谱预处理中,先将两套光谱融合作为偏最小二乘回归的输入变量进行全谱初步建模,依据回归系数选择NIRS光谱中的有效波段,再将它与XRF光谱中的成灰元素谱线一并融合进行归一化处理。建模时将预处理后的融合光谱数据作为输入变量,利用偏最小二乘回归对煤炭发热量进行建模。实验结果表明,NIRS-XRF联用方法对定标集煤样发热量预测的线性相关度系数(R2)为0.995,对验证集煤样发热量预测的最小均方根误差、平均相对误差和标准偏差分别为0.24 MJ/kg,0.61%和0.05 MJ/kg,测量重复性满足小于0.12 MJ/kg的国家标准。NIRS-XRF联用的煤炭发热量高稳定检测方法有望推广应用于火力发电、煤化工、冶金、水泥和焦化等“高碳”行业,助力我国按期实现碳中和目标。
近红外光谱 X射线荧光光谱 光谱融合 煤炭发热量 高稳定检测 near infrared spectroscopy (NIRS) X-ray fluorescence (XRF) spectral fusion coal calorific value high-stability analysis 
光学 精密工程
2023, 31(13): 1880
蒋源 1,2郑睿健 1,2续新科 1,2任隆样 1,2[ ... ]马维光 1,2,**
作者单位
摘要
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,太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心,太原 030006
为实现对危化品气体泄漏的实时、远距离、非接触性监测,提高监测效率和精度,研制了一种多组分气体激光遥测系统。基于波长调制光谱技术,利用STM32芯片结合自主设计的驱动电路对激光器进行控制,采用不同的调制频率分别提取甲烷、氨气、乙炔的二次谐波信号,实现混合气体的同步、实时、远距离遥测。采用光强调制幅度归一化的波长调制光谱技术使遥测结果免受回波激光对信号强度的影响。实验测量表明本系统对甲烷、氨气、乙炔的探测下限分别可以达到87 ppm·m、212 ppm·m、12 ppm·m,测量误差小于10%。测量不同距离下的遥测信号,遥测距离至少可达40 m。本系统为激光痕量气体检测研究与应用提供了一种多气体、实时、同步、高灵敏度、远距离、性能稳定的遥测解决方案,能够广泛应用于矿山灾害气体监测预警,危化品场站和运输管网等场合的气体泄漏监测预警。
光谱学 痕量气体检测 多组分气体 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制光谱技术 气体遥测 Spectroscopy Trace gas detection Multi-component gas Tunable diode laser absorption spectroscopy Wavelength modulation spectroscopy Gas remote sensing 
光子学报
2023, 52(3): 0352114
田志辉 1,2王树青 3张雷 1,2,*张培华 1,2[ ... ]贾锁堂 1,2
作者单位
摘要
1 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006
2 山西大学 极端光学创新研究中心,太原 030006
3 中国石化石油加工研究院,北京 100089
4 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司,太原 030006
基于提出的激光诱导击穿光谱(LIBS)和X射线荧光光谱(XRF)的联用多光谱方法,设计了一种基于软件控制的煤质快速分析仪,该分析仪包括LIBS分析模块、XRF分析模块、送样模块、控制模块和操作软件。该仪器不仅发挥了LIBS全元素分析的长处,还继承了XRF高稳定分析的优点,可用于发电厂对压制煤饼进行快速连续的检测。此外,基于偏最小二乘回归方法对数百个煤样进行了光谱分析建模,并完成了工业测试与性能评价。评估结果表明,所建发热量、灰分、挥发分和硫分定标模型的R2分别为0.973、0.986、0.977、0.979,平均绝对误差分别为0.60 MJ/kg、1.24%、0.18%、0.19%,工业分析的平均SD分别为0.11%、0.49%、0.15%、0.09%。模型结果表现出不错的准确度和良好的稳定性,对所有煤炭工业指标的测量重复性均达到甚至优于国标要求。同时,实测结果表明,该仪器对煤炭发热量、灰分、挥发分、硫分的平均绝对误差分别为0.385 MJ/kg、0.830%、0.496%、0.230%,单次样品检测约需5.5 min,能够满足工业现场的实际需求,为煤炭性质的前瞻性预测开辟了道路。
激光诱导击穿光谱 X射线荧光光谱 联用多光谱 高重复性测量 工业设计 煤质分析 Laser-induced breakdown spectroscopy X-ray fluorescence spectrometry Coupled multi-spectrum High repeatability measurement Industrial design Coal quality analysis 
光子学报
2023, 52(3): 0352109
张博峰 1,2赵刚 1,2,*闫晓娟 1,2马维光 1,2,**
作者单位
摘要
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
提出了一种基于双驱动马赫-曾德尔调制器(DD-MZM)的激光测距技术。通过对DD-MZM的单路进行调制可产生测距用的类双频光源,DD-MZM中两路光的时间延迟差很小,可有效抑制两路光拍频信号的强度噪声。为了进一步抑制由温度变化造成的两路光的相位差噪声,通过实时反馈控制DD-MZM的直流输入端,补偿了两路的相位差。首先基于光场传输函数建立了测距理论模型,分析了相位反馈控制的机理;然后基于理论模型搭建了测距系统,采用降频法采样信号;最后利用相位法反演出距离值。结果显示,在动态控制相位差后,系统相位差的长期漂移抑制比可达11 dB,距离测量的稳定度达到0.4 μm。该方案有利于提高激光测距系统的稳定性和集成度。
测量 激光测距 双驱动马赫-曾德尔调制器 双频光 激光频率调制 measurements laser ranging dual-drive Mach-Zehnder modulator dual frequency laser laser frequency modulation 
中国激光
2023, 50(2): 0204001
马维光 1,2,*周晓彬 1,2曹振松 3许非 1,2[ ... ]赵刚 1,2
作者单位
摘要
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 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, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
连续波腔衰荡光谱技术 (CW-CRDS) 可以实现对痕量气体的高灵敏检测。基于 (CW-CRDS), 采用近红外分布反馈式二极管激光器 (DFB-DL) 和半导体光放大器 (SOA), 使用自主设计的高精细度 Fabry-Pérot 腔、激光驱动器、阈值检测电路, 实现了紧凑型气体分析装置的设计。其中 SOA 在放大激光功率、提升衰荡信号信噪比的同时, 还作为光开关, 用于触发衰荡事件。整个系统集成在一个 700 mm × 300 mm × 185 mm 的定制机箱中, 基于该装置测量了位于 6359.97 cm-1 处的 CO2 气体, 对空腔衰荡的时间序列分析结果显示系统的探测极限为 3.85×10-8 cm-1。
光谱学 气体分析装置 腔衰荡光谱 CO2 气体检测 分布反馈式二极管激光器 spectroscopy gas analyzer cavity ring-down spectroscopy CO2 gas detection distributed 
量子电子学报
2021, 38(5): 633
作者单位
摘要
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 中国石油大学(华东)信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580
3 山西大学激光光谱所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
提出了基于经验模态分解(EMD)的多次去噪方法来降低多光程吸收光谱中的干涉噪声。从理论上分析并确定了降噪的次数,对采用直接吸收和波长调制二次谐波光谱技术探测得到的不同体积分数的CO2谱线进行了多次EMD降噪处理,并与多次平均和低通滤波的降噪方法进行了对比。结果表明:多次EMD去噪能更有效地滤除光谱信号中的干涉噪声和随机噪声,且降噪后的信号幅值与待测气体的体积分数满足较好的线性关系,系统的探测灵敏度能达到3.5×10 -5。测量了不同压强和温度下CO2标准气体的光谱信号,经多次EMD去噪处理后的光谱信号,其干涉的幅值相对于去噪前减小了近两个量级,信噪比增大了约两个量级。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 干涉噪声 经验模态分解(EMD)去噪 多光程池 spectroscopy tunable diode laser absorption spectrum (TDLAS) interference noise empirical mode decomposition (EMD) denoising multi-pass cell 
激光与光电子学进展
2018, 55(11): 113001
作者单位
摘要
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一套近红外波段的乙炔(C2H2)气体检测系统,该装置采用波长调制-多光程吸收光谱技术,提高了系统的检测灵敏度;为了优化系统测量条件,在压强范围为5.3~12.0 kPa和调制幅度为0.010~0.035 V条件下,测量了体积分数为5×10 -5的C2H2标准气体的光谱信号,并测量了不同浓度的C2H2在总压强为10.7 kPa时的二次谐波信号;为了进一步验证系统的稳定性,采集60 s的光谱信号,通过Allan方差分析获得了系统的最佳探测时间和探测极限。结果表明:压强为10.7 kPa且调制幅度为0.030 V时的二次谐波信号强度最大;C2H2气体浓度与二次谐波幅值呈良好的线性关系,并且C2H2体积分数为1×10 -6~5×10 -5时的测量误差较小,小于±2%;该实验系统的最佳探测时间为7.2 s,探测极限为2.8×10 -11;该仪器采用基于嵌入式系统设计的激光器驱动和数字锁相放大器,具有结构简单、体积小、便于集成等特点,适用于工业现场和气体运输等方面。
光谱学 C2H2气体检测仪 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制-多光程吸收技术 检测灵敏度 小型化 spectroscopy detecting instrument of acetylene tunable diode laser absorption spectroscopy wavelength modulation-multi-pass absorption techni detecting sensitivity compact 
激光与光电子学进展
2018, 55(3): 033002
马维光 1,2周月婷 1,2赵刚 1,2贾梦源 1,2[ ... ]贾锁堂 1,2
作者单位
摘要
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 Department of Physics, Ume University, Ume Sweden, SE-901 87
噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光源、腔的精细度等关键参数,及其对探测灵敏度的影响,最后提出限制NICE-OHMS技术探测灵敏度的主要因素及其解决方案。
光谱学 频率调制 腔增强 痕量气体检测 探测灵敏度 spectroscopy frequency modulation cavity enhancement trace gas detection detection sensitivity 
中国激光
2018, 45(9): 0911007
董磊 1,2,*武红鹏 1,2郑华丹 1,2尹旭坤 1,2[ ... ]贾锁堂 1,2
作者单位
摘要
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
主要回顾了近几年石英增强光声传感技术的最新研究进展, 展望了未来几年该技术的发展趋势。从石英增强光声传感技术的基本原理开始, 介绍了传统的石英增强光声传感器系统的搭建, 围绕如何降低系统噪声和进一步提高探测灵敏度展开论述。阐述了定制音叉式石英晶振的建模与设计, 详细讨论了如何使用定制的音叉探索新型光谱测声器配置, 使探测灵敏度提高两个数量级, 并介绍了利用这些定制音叉的泛频振动模式实现减小声音共振腔长度的目的和双气体探测功能。最后讨论了该技术的进一步发展方向。
光谱学 激光光谱 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 痕量气体传感 spectroscopy laser spectroscopy quartz enhanced photoacoustic spectroscopy quartz tuning fork trace gas detection 
中国激光
2018, 45(9): 0911004

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