TDLAS技术调制参量的优化及实验研究

为了研究激光调制参量对二次谐波信号峰值、信噪比、峰宽、对称性以及信号完整性的影响, 基于硬件实验系统与Simulink仿真模型进行分析, 验证了理论模拟结果与此硬件系统下信号变化趋势的一致性, 同时确定了CO₂检测系统的最佳调制参量。通过实验系统对不同体积分数的CO₂在1432.04nm处的吸收光谱进行了测量, 建立主吸收峰处信号强度与不同体积分数CO₂的反演模型, 分析了系统性能及测量精度。结果表明, 线性拟合系数R2=0.9998, 气体体积分数反演最大相对误差为0.7333%, 系统检测限为0.0074%;通过调制参量的优化选择可以获得较为理想的二次谐波信号, 从而实现待测气体体积分数的精确反演。该研究为检测系统中调制参量的优化提供了重要参考, 为系统测量精度的改善提供了指导。     

用LED作光源的光纤乙炔气体传感器的研究

基于气体的近红外吸收机理,介绍了一种用LED作光源的光谱吸收型光纤乙炔气体传感器.该系统利用布拉格光纤光栅和压电陶瓷(PZT)的窄带滤波特性,对宽带光源LED进行波长调制,获得与乙炔气体吸收峰相对应的窄带反射出射光.利用谐波检测原理,获得探测器输出信号的二次谐波信号,以此二次谐波信号与光纤光栅透射光强的比值作为系统的输...     

基于激光NO2气体检测研究

为了设计一种NO2气体检测系统,以实现对大气中NO2等污染气体进行有效监测、提高空气质量,采用激光光谱分析技术,根据NO2气体在可见光范围内的吸收光谱与强吸收峰位置,选取中心波长为443.2nm蓝光激光光源,搭建了的NO2气体检测实验平台。实验测定不同体积分数NO2气体的透射谱线,通过对不同体积分数NO2气体透射光谱分析,运用最小二乘法线性拟合计算得出系统吸光度与气体体积分数的线性关系。结果表明,实验系统能够实现对NO2气体的检测,检测灵敏度为10-4量级,具有较好应用价值。     

光谱线宽对可调谐激光调制吸收光谱技术测量CO2浓度的影响

在利用可调谐激光调制吸收光谱技术进行测量时,气体参量改变将导致线宽变化,从而影响二次谐波信号峰值的大小.针对于Lorentz线型,给出了线宽变化对二次谐波峰值影响的理论分析及利用二次谐波信号峰谷比值进行修正的方法.在10 cm的吸收池内利用1578.22 nm处的吸收谱线对CO2进行了测晕,在不同调制幅度下验证了不同工况中线宽对二次谐波信号的影响.结果表明,利用二次谐波峰谷比值确定调制系数进行修正可有效地减小由于工况改变时线宽变化对测量带来的影响,当压力由1.0×105Pa变化至1.5×105Pa时,修正前后的测量相对误差分别为34.3%与1.8%;当气体体积分数在20%～100%变化时,修正前后的平均误差分别为12.8%与1.8%.     

温度和压强变化对二次谐波反演结果的影响

在气体质量流量测量系统中,波长调制光谱信号的谐波分量,特别是其二次谐波分量常被用作为检测对象,用于气体浓度、速度等信息的反演。基于波长调制原理,利用氧气(O2)分子在764.28nm附近的吸收谱线,分析了常见线型的半峰全宽,得出了不同温度、压强下洛伦兹线型的适用范围;研究了O2分子吸收谱线在不同温度、压强条件下的二次谐波峰值;对不同温度、压强下,采用二次谐波峰值反演气体浓度产生的误差进行了分析,并提出了误差修正方法;分析了实验过程中当最佳调制深度不能够随着温度、压强即时调整的情况下,最优调制系数在不同温度、压强变化下的适用范围,并给出了误差修正公式。     

基于TDLAS技术的高斯线型二次谐波数值模拟与分析

作为新的痕量气体监测分析方法,可调谐二极管激光吸收光谱学的二次谐波技术在大气化学研究和污染气体监测得到实际应用。本文以CO气体的中心波长为λ0=1579.74nm的P（5）振-转吸收谱线为目标,建立高斯线型的二次谐波信号数值模型,仿真得到二次谐波曲线,研究了二次谐波信号特性与调制度m的关系。并对仿真结果与洛仑兹吸收线型二次谐波信号特性进行了分析和比较。     

光参变振荡器的红外光谱研究

对宽调谐周期极化掺镁铌酸锂光参变振荡器(OPO)进行了实验研究,OPO的抽运源采用的是激光二极管端面抽运的声光调QNd:YVO4激光器,其谐振腔由两个凹面镜构成了简单的线性腔,凹面镜的衬底材料选用氟化钙。通过改变周期极化掺镁铌酸锂晶体的温度(30~80℃)和极化周期(29.0~31.5μm),OPO实现了信号光波长在1450~1700 nm和闲频光波长在2849.0~3989.4 nm范围内的宽调谐输出。对OPO输出的光谱进行了测量,信号光光谱的半峰全宽均小于0.58 nm,闲频光光谱的半峰全宽小于4 nm。实验结果表明,实测的信号光与闲频光的波长调谐曲线与理论模拟结果非常吻合。     

基于波长调制技术的吸收谱线线型函数测量

在可调谐二极管激光吸收光谱技术中,直接吸收法通过对透射光强拟合可直接得到线型函数,但目前具有较高信噪比的波长调制法不能对其进行有效测量。提出一种基于多次谐波的线型函数测量理论及方法,通过谐波通项表达式推导出谱线中心频率处二次与四次谐波比值仅与线型函数和调制系数有关,当调制系数m为2.492 8时,无论线型函数中Gauss线宽和Lorentz线宽所占比例如何,二次与四次谐波比值均为2.186 2,根据该点的特征可首先得到谱线半宽,然后将其应用于弱吸收条件下2f/1f气体浓度免标法测量。实验中采用2 326.82 nm处谱线对CO浓度进行了测量,其结果与传统直接吸收法测量结果误差小于2%。文中为波长调制法中线型函数的精确测量提供了重要的理论依据,进一步完善了2f/1f免标法。     

采用光纤滤波器的高波长稳定性掺铒光纤光源

研究了双程后向结构掺铒光纤光源的平均波长对泵浦功率的赖性。实验结果表明,通过采用掺铒光纤滤波器以及选择合适的泵浦功率,平均波长随泵浦功率的变化能够降低到-9 ppm/mW。在-40~+60℃ 温度范围内,光纤光源的平均波长不稳定性小于33 ppm(峰峰值)。采用5 m 长的掺铒光纤、泵浦功率55mW 与泵浦波长974.2nm 时,光纤光源输出光波的谱宽达到17nm,功率达5.83mW。     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

基于TDLAS的气体检测技术算法

可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1（调制系数m=2）时,仿真结果与理论计算结果（a=0）相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。     

溶胶-凝胶和聚合物固体激光染料的特性

采用溶胶-凝胶(sol-gel)和聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基质,Pyrromethene-567(PM567)为增益介质,调Q倍频Nd:YAG激光为抽运源,实现了宽带固体染料脉冲激光输出。溶胶-凝胶基质和聚合物基质输出谱线中心分别为560nm和561nm,半峰全宽(FWHM)分别为9nm和8nm;采用透过率为50%的输出镜,激光斜率效率分别为43%和26.3%,最高输出能量分别为13mJ和99mJ。     

TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。     

波长可切换可调谐耗散孤子锁模掺镱光纤激光器

采用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术,在全正色散掺镱光纤激光器中研究了波长可调谐可切换耗散孤子锁模现象。由于NPR所诱导的腔内梳状滤波效应,光纤激光器在中心波长1 042.8~1 050.2 nm以及1 040.9~1 048.1 nm处实现了波长可切换运作,可切换波长间隔分别为7.4 nm和7.2 nm,光谱宽度约为5.5 nm和2.7 nm。同时在1 042.77~1 045.33 nm之间观察到波长可调谐运作,调谐范围2.7 nm。另外在光纤激光器中还获得了稳定的双波长锁模和二阶谐波锁模。该实验的研究有利于加深人们对掺镱光纤激光器中锁模动力学行为的理解,并为多功能激光光源的设计提供了借鉴。     

利用多吸收峰降低全固态激光器温控功耗

半导体激光器（LD）的工作波长是随温度变化的,对LD进行温控是扩展全固态激光器（DPSSL）正常工作温度范围的常用方法,但常用的控温方法在-50~70℃的宽温区范围存在体积大、能耗高、效率低等问题。通过实验测试得到GaAs量子阱激光器的波长温度漂移系数为0.25 nm/℃,分析了Nd:YAG晶体吸收谱的多峰特性。提出采用高温时工作波长为808 nm的GaAs量子阱激光器作为泵浦源,利用Nd:YAG晶体的795.7 nm和808 nm的两个吸收峰,通过分段加热控温降低温控功耗的方案。实验结果显示:全固态激光器在两个吸收峰处得到的输出脉冲特性基本相同,在温度较低时,分段控温的加热功率减小了4.7 W,接近不分段最大加热功率的一半。     

应用于吸收型甲烷传感器的1650nm DFB激光器的研制

光学吸收法是一种工程上有效可行的检测痕量甲烷气体的方法,具有广泛地应用于构建煤矿坑道等场合的安全防护和报警系统的潜力.为实现针对甲烷气体1653nm吸收峰特性的单色光源,采用金属有机化合物化学气相沉积外延和纳米压印等技术手段,从多量子阱外延材料设计和金属有机化合物化学气相沉生长到器件封装,研制了1653nm分布反馈激光...     

丙丁烷TDLAS测量系统的吸收峰自动检测

基于丙丁烷在3.37μm处的基频吸收峰,使用相应中心波长的连续带间级联激光器和长光程吸收池,研制了基于波长调制技术的丙丁烷气体检测系统。为自动确定波长调制过程中的锯齿波中心值参数,基于电流与输出光频率的线性关系,通过均匀增加激光器驱动电流获得直接吸收光谱。使用基于洛伦兹线型的拟合算法确定吸收峰值对应电流,使锯齿波输出光以其为中心覆盖吸收峰。实验证明,以拟合结果31.94mA为中心值的锯齿波,在叠加频率为20 000Hz、幅值为0.03V的高频正弦调制波后,系统二次谐波峰值超过100mV。算法全过程不依赖标气和F-P标准具等精密光学器件,可适应实际生产条件下的系统自动定参。