光外差-磁旋转-浓度调制光谱技术

介绍了一种针对瞬态分子光谱测量的新技术:光外差磁旋转浓度调制光谱技术,这种光谱技术具有很高的灵敏度,综合了光外差探测技术、磁旋转光谱技术和浓度调制光谱技术的特点,利用浓度调制光谱技术针对寿命很短的瞬态分子和激发态分子的光谱进行测量,利用光外差探测技术可以消除来自光源的幅度涨落噪声,实现散粒噪声的测量极限,利用磁旋转光谱技术可以对顺磁性分子进行选择性的测量,并且进一步提高探测灵敏度。详细讨论了这种光谱技术的工作原理,并用这种技术对O2分子的b1Σg+-X3Σg-三重禁戒跃迁光谱进行测量,获得了很好的测量信噪比。并对该技术的灵敏度作了详细的分析,估计最小相对吸收度可达1.9×10-9以及O2分子三重禁戒跃迁的吸收截面为σ=2.4×10-24cm2。     

光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性

腔衰荡光谱技术是一种高灵敏的腔增强分子吸收光谱测量技术,由于激光频率噪声大,导致激光到腔耦合效率低,严重限制了其对痕量气体的探测灵敏度.光学反馈可以有效压窄半导体激光器的线宽,提高激光到外部谐振腔的耦合效率.本文基于精细度为7800的Fabry-Pérot腔,发展了光学反馈线性腔衰荡光谱技术.首先从光场相位的角度给出了线性腔光学反馈的原理,然后分析了影响测量不确定性的因素,包括光学反馈率、衰荡信号触发阈值、探测器相对透射汇聚光斑位置等.实验结果表明,通过设置低反馈率(3%自由光谱区间)、高衰荡信号触发阈值(90%腔模幅度)以及将光斑聚焦到探测器有效面中心等措施,结合光学反馈效应,可将空腔衰荡时间的相对不确定度提升至0.026%,远优于传统腔衰荡技术获得的典型值.系统在积分时间为180 s时,获得探测灵敏度为1.3×10^–10 cm^–1,对应甲烷的最小可探测吸收体积浓度为0.35×10^–9,从而满足了碳监测的要求.     

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.     

亚千赫兹精度的腔增强分子饱和吸收光谱

饱和吸收光谱法常被用于原子和分子跃迁的亚多普勒测量。光学谐振腔除了可增强有效吸收光程,还能够增加腔内的激光功率来饱和非常弱的分子振转跃迁.本文利用精细度达120000的谐振腔,通过腔增强光谱、腔衰荡光谱、噪声免疫腔增强光外差分子光谱这三种不同的腔增强方法,测量1.4μm处的C_2H_2分子兰姆凹陷.采用不同的腔增强方法确定吸收谱线中心,均给出了亚千赫兹的统计不确定度.并分析比较了不同方法的灵敏度和精度,噪声免疫腔增强光外差分子光谱是最灵敏的方法,但如果期望利用它实现亚千赫兹精度的计量应用,还需要对该方法中的系统误差进行更多的研究.     

基于腔增强的磁光旋转铯原子磁强计

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角,大大增强了原子磁强计的灵敏度。我们基于磁光旋转的铯原子磁强计,在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系,得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率。利用平凹驻波腔,在特定的腔镜反射率,原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%,对应的腔逃逸效率为38%和41%,腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1;在保持光与原子相互作用强度的情况下,随着原子气室对光场损耗的降低,磁场灵敏度进一步增强,腔增强效果更显著。     

大运动量后呼出气体主要成分检测系统的设计与研究

利用超灵敏的痕量气体检测方法对运动员比赛和训练前后的呼出气体进行了探测分析;采用激光光谱电流的探测的方法,设计的探测范围达到1×10-12～1×10-10 mol,且测量时间为0.5s,为运动员比赛的身体状况检测提供有效的生理参数。关于光腔增强光谱和磁致旋转光谱的研究,为特殊环境与场合下,气体浓度测量提出了新的方法。     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

N_2O的近红外腔增强吸收光谱技术研究

以外腔式可调谐、窄线宽近红外半导体激光为光源,以一对曲率半径r=1 000mm的宽带高反射率平凹镜(反射率R=99.97%)构成的腔长为650mm的对称高精度光学稳定腔,建立了腔增强吸收光谱系统。详细研究了纯净N2O气体、以及N2O和N2的混合气体在不同浓度和不同气压下、中心波长位于6 561.39cm-1的腔增强吸收光谱、光谱强度和谱线宽度,该腔增强吸收光谱系统的有效吸收光程可达1 460km。获得了光谱线宽与气体压强的关系曲线,导出了波数6 561.39cm-1处N2对N2O的压力展宽系数为(0.114±0.004)cm-1·atm-1。采用该腔增强吸收光谱系统,开展了N2O气体检测研究,建立可用于定量检测的N2O气体腔增强吸收光谱强度与气体浓度关系曲线,获得了2.34×10-7cm-1的检测灵敏度,多次重复测量的相对标准偏差(RSD)为1.73%,在微量N2O气体检测中具有很好的应用前景。     

飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展

飞秒光学频率梳以其频谱宽、脉宽窄、频率稳定度高等优点,对光学频率计量、绝对距离测量、高精度光谱测定产生重大影响。飞秒光学频率梳的时域特性和频域特性溯源至微波频率基准,使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、光谱灵敏度高、分辨率高、信噪比高等优点,因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、工业生产、生物医学、科学研究等各领域。飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。其中,根据采集方式不同,光频梳腔增强光谱又可分为梳齿游标测量法、虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。目前,国外已广泛开展相关研究,而国内仍处于起步阶段。本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法典型的实验方案,分析了各探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果。     

光腔衰荡技术与高灵敏吸收探测

腔衰荡光谱技术是一种新兴的主灵敏吸收光谱探测技术,已经被广泛地应用于原子、分子、团簇等吸收光谱的测量,且可实现10^-6－10^-14cm^-1量级吸收的测量,文章综述了腔衰荡光谱技术的发展及在吸收光谱探测上的应用。     

采用离轴入射的腔增强吸收光谱研究

为了改善腔增强吸收光谱的探测灵敏度和光谱分辨率,通过将激光光束离轴注入光学谐振腔中,减小了谐振腔内振荡,提高了模式密度,使得谐振腔被近似看作为“怀特池”。采用记录波长在扫描过程中实际变化的方法,对光谱数据进行了非线性校正,省去了参考光路的布置,简化了实验光路。对二氧化碳在1．572μm处的一条弱吸收谱线进行了测量,得到了大小为1．98×10^-7cm^-1的最小探测灵敏度。实验结果表明同等实验条件下,光束离轴入射时比正轴入射时的腔增强吸收光谱具有更高的信噪比和光谱分辨率。     

一种时间相关吸收光谱技术分析新方法

时间相关吸收光谱技术,如腔衰荡光谱技术(CRDS)和腔衰减相移光谱技术(CAPS),是近三十几年发展起来的一类新型吸收光谱检测技术,它具有探测灵敏度高、响应速度快、不受光源强度起伏变化影响等优点。传统的吸收光谱技术都是基于Lambert-Beer定律,如直接吸收光谱技术(DAS)、波长调制光谱技术(WMS)和腔增强吸收光谱技术(CEAS)等,这类光谱技术在探测物质微弱吸收的时候一旦遇到较强的背景光信号就变得难以测量,而且光源的不稳定性也会对检测带来一定的限制。时间相关吸收光谱技术由于其不受光源强度起伏变化的特点,在很大程度上能够弥补传统吸收光谱技术所存在的缺陷,但其也有自身的局限性。首先在理论上,CRDS和CAPS这两种时间相关吸收光谱技术并不统一,而且在现有光谱理论下,Pulse-CRDS在应用时使用的脉冲光源的脉宽必须远小于谐振腔本身的时间常数,对于长脉宽的脉冲光或者反射率低(小于99.9%)的腔体,现有理论将不再适用;CAPS在应用时光源调制信号必须是周期性的正弦信号或者方波信号,对于其他类型的周期调制信号或者非周期性信号,现有理论并没有涉及。针对上述提到的时间相关吸收光谱技术的局限性,提出了一种新的分析时间相关吸收光谱技术的方法,即利用一阶传递函数,将谐振腔视为一阶传感系统,对时间相关吸收光谱技术理论进行统一解释,在公式推导上证明新方法下的推导结果和现有理论结果的一致性。针对Pulse-CRDS,以高斯脉冲光为例,给出一阶传感理论下的透射光强表达式,并对一系列不同的脉冲宽度γ、谐振腔时间常数τ_real以及从输出信号中拟合而得的时间常数τ_anal进行了模拟仿真。经过分析比较后发现,当γ<0.3τ_real时,τ_anal和τ_real的偏差小于1%;当γ>0.3τ_real时,τ_anal和τ_real的偏差渐渐变大,将不再满足实验条件。为了使Pulse-CRDS在长脉宽脉冲光下也能应用,本文给出了修正函数,使得在脉宽大于腔衰荡时间0.3倍的情况下,经过修正补偿后,衰荡时间的误差小于1%。对于CAPS系统,搭建相应实验平台,LED中心波长选用405 nm,使用方波调制信号,测量不同频率下的入射参考信号与探测信号的相位差和探测信号峰-峰值,通过由一阶传递函数推导而得的相频特性和幅频特性,拟合得到时间常数τ,结果分别为7.24和7.25 μs,残差范围分别为[-0.01, 0.02]和[-0.02, 0.025],两者结果基本一致。实验结果验证了一阶传感系统理论完全适用于时间相关光谱的信号分析,并且一阶传感系统理论还使得时间相关光谱技术的理论得到了统一。     

气体拉曼传感增强技术研究进展与趋势

不论是在科学研究,食品安全,医学检测,还是在安全事故预防等领域,对多组分混合气体进行快速、准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求。拉曼光谱法是一种强大的气体传感方法,既能克服传统的非光谱法检测时间长、重复性差等弱点,又能弥补吸收光谱法无法直接测量同核双原子分子的缺点,同时还能使用单一频率的激光器对多组分混合气体进行定性和定量分析。但由于物质固有的弱拉曼效应,加之气体的拉曼效应一般远低于固体和液体,这极大地限制了拉曼光谱法在气体传感领域的应用。如何提高气体的散射强度是使气体拉曼传感技术得到更广泛应用的关键。目前最主要的气体拉曼传感增强技术包括腔增强技术和光纤增强技术。腔增强技术从提高与待测气体作用的激发光强度和作用路径来从源头上增强拉曼散射信号,包括多次反射腔增强、 F-P腔增强、激光内腔增强。光纤增强则从提高球面散射光的收集效率来增强拉曼散射信号,使绝大部分拉曼散射光都能进入光谱探测器,包括镀银毛细管增强和空芯光纤增强。简要介绍了上述两种技术的的增强原理,汇总了研究进展以及应用现状,并讨论了它们各自的优势以及局限性,最后着眼于多组分痕量气体的检测,展望了气体拉曼传感技术未来的发展趋势...     

Difference frequency generation combined with intracavity absorption

A previous study in which the optical parametric oscillator (OPO) has been shown to provide a light source suitable for intracavity absorption spectroscopy, is extended to difference frequency generation. The following experimental situation is discussed: in a nonlinear material an incident monochromatic pump wave, together with an incident many-mode idler wave, creates a many-mode wave at the difference frequency (signal wave) which is made to resonate in a cavity. The latter contains an absorbing medium whose absorption line is smaller than the signal bandwidth. For this device, the enhancement factor ξ is calculated. Large values of ξ can be expected only for pump powers which exceed the threshold value for optical parametric oscillation. Otherwise, the enhancement will be due only to the resonator effect.     

基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究

H₂O和CH₄在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量H₂O和CH₄浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H₂O和CH₄的高灵敏度测量研究。离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定,吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证,确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。结果表明,基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。当谐振腔内压力为5.06 kPa时,利用7组不同浓度的CH₄标准气体（0.2～1.4 μmol·mol-1）对系统进行了线性响应标定测试,得到了CH₄吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。系统的稳定性、可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析,结果表明系统对探测CH₄的最佳平均时间为100 s,最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1;系统对探测H₂O的最佳平均时间为200 s,最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究,结果表明相比于多次平均方法,Kalman滤波能显著的提高测量精度,而且缩短了系统的响应时间。最后,利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH₄和H₂O浓度进行了连续两天的测量,CH₄每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1,H₂O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1,由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH₄和H₂O的测量,另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH₄和H₂O监测。     

Study of hot bands in the B2Σ+u-X2Σ+g system of C-2 anion

Optical heterodyne magnetic rotation enhanced velocity modulation spectroscopy was employed to observe the visible absorption spectra of the B^2Σ^+_u-X^2Σ^+_g electronic transition of C^-_2. Four hot bands (0,1), (1,2), (2,3) and (3,4) have been observed and the band (3,4) is measured directly for the first time, so far as we know, by absorption. A rotational analysis was carried out to obtain molecular constants. With the Franck－Condon principle and the vibrational Boltzmann distribution, we have estimated the vibrational temperature of C^-_2 to be about 3000K.     

新型量子点场效应增强型单光子探测器

针对量子点场效应单光子探测器(QDFET)光吸收效率低下的问题, 提出了一种新型量子点场效应增强型单光子探测器(QDFEE-SPD). QDFEE-SPD增加了共振腔的设计, 并采用了GaAs/AlAs多层膜作为下反射镜; 对QDFEE-SPD的光吸收增强效应和光响应度进行了理论分析和模拟, 结果表明, 与没有共振腔时相比, QDFEE-SPD的吸收效率和光相应度都有了大幅度的提升, 同时为了光吸收的最优化, 吸收层厚度一般应在0.1–0.5 μm; 对QDFEE-SPD的材料样品进行了生长和测试实验, 反射谱测试和PL谱测试结果表明, QDFEE-SPD对入射光的吸收具有了明显的增强效应. 文章成果为高效率量子点场效应单光子探测技术的研究提供了新的思路. 关键词： QDFEE-SPD 共振腔 吸收效率 光吸收增强效应     

Signal processing system in cavity enhanced spectroscopy

The paper presents a signal processing system used for nitrogen dioxide detection employing cavity enhanced absorption spectroscopy. In this system, the absorbing gas concentration is determined by the measurement of a decay time of a light pulse trapped in a cavity. The setup includes a resonance optical cavity, which was equipped with spherical and high reflectance mirrors, the pulsed diode laser (414 nm) and electronic signal processing system. In order to ensure registration of low-level signals and accurate decay time measurements, special preamplifier and digital signal processing circuit were developed. Theoretical analyses of main parameters of optical cavity and signal processing system were presented and especially signal-to-noise ratio was taken into consideration. Furthermore, investigation of S/N signal processing system and influence of preamplifier feedback resistance on the useful signal distortion were described. The aim of the experiment was to study potential application of cavity enhanced absorption spectroscopy for construction of fully optoelectronic NO₂ sensor which could replace, e.g., commonly used chemical detectors. Thanks to the developed signal processing system, detection limit of NO₂ sensor reaches the value of 0.2 ppb (absorption coefficient equivalent = 2.8 × 10⁻⁹ cm⁻¹).