连续和准连续调制激光吸收光谱的软件锁相解调比较研究

根据对激光器施加的调制信号是否连续,波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。为了深入的比较研究这两种方案,设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器,将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后,再对吸收信号解调得到二次谐波信号。与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较,结果表明,参数相同,准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、检测限降低11.3%。在滤除无效信号后,准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号,因此有望用于与气体线型相关的研究中。该工作为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了准确依据。     

连续和准连续激光调制谱分析技术的比对研究

为了在面对不同检测需求时,能够选取适合的调谐激光吸收光谱技术方案,对直接吸收光谱、连续调制谱和准连续调制谱三种方法进行了理论分析和实验比较。在相同实验条件下,通过同一激光器测量不同浓度CO2气体,比较了这三种方法的技术特点、信号特征、检测灵敏度。结果表明,准连续调制谱技术具有与连续调制谱相当的检测灵敏度,但是受激光能量间断和较大的寄生幅度调制影响,检测信号相对于气体吸收谱的线形失真较大,因此不太适合依赖光谱线形和线宽的压力、流速测量。为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了参考依据。     

PPLN晶体差频中红外激光系统调谐特性研究

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要应用价值,光学非线性变换是获得室温运转中红外相干光源的有效途径,是对传统激光技术的有效补充.研究了基于准相位匹配原理的差频激光系统的温度和信号光波长调谐特性,从准相位匹配技术的一般位相匹配关系出发,推导了PPLN晶体差频准相位匹配的温度和信号光波长匹配带宽解析表达式;建立了基于PPLN晶体准相位匹配原理的宽调谐差频中红外激光系统,实现了3.2～3.7üm中红外相干光输出,最大输出功率约为1üW;对系统温度和信号光波长调谐特性进行实验研究,并与理论结果进行了比较和分析.     

生物组织单光程光谱技术的理论研究

高灵敏度光谱检测技术在临床诊疗和组织光学参数测量中具有极其重要的意义。文章提出了一种差分调制激光光谱技术,将经过生物组织后的散射光与参考光的光程差转换为光谱信号的频率特征,通过相敏检测技术将不同频率的信号进行分离,从而实现生物组织散射光的光程分离。文章分析了差分调制激光光谱的机理及信号的谱特征,并基于文献中的生物组织散射光的光程分布,从理论上讨论了差拍信号的谱特征,即光源调制速率一定时,光谱信号中的主频成分位置只与散射光和参考光的光程差有关;生物组织对光信号的衰减系数会影响光谱信号中频率成分的能量强度分布。分析结果表明,差分调制激光光谱能对生物组织的光谱信号进行光程分离,从而实现生物组织的单光程光谱检测。     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

中红外差频光源应用于实际大气水汽浓度测量

基于非线性光学效应,采用差频发生技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),在周期性极化的铌酸锂晶体(PPLN)中产生了中红外的可调谐激光源。泵浦光是一个功率为1 W、调谐范围在770到870 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器。信号光是一个功率为1 W、单频连续的Nd∶YAG激光器。当晶体的光栅周期为20 μm、温度调谐范围内在室温到200 ℃之间时,能够产生2.8 μm附近的、功率约为1～2 μW的差频光源。基于这个光源,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽(001←000)吸收带的吸收光谱。依据大气中水汽分子在8.5 cm的吸收光程条件下的吸收光谱,成功地测量得到了大气中的水汽浓度。     

碘稳频中红外差频激光光谱技术

为实现中红外波段的高精度线型研究,建立了一套在2.5～5um波段连续可调谐的中红外差频激光光谱测量系统.基于宽带连续可调谐钛宝石激光器(700 ～900 nm)和单频连续Nd:YAG激光器(1064 nm),利用碘多普勒展宽吸收和频率调制技术,对Nd:YAG激光的频率进行反馈控制,使1064 nm的Nd:YAG激光的波长稳定性好于1X10-5 cm-1由此差频输出的波长稳定性达到1×10-1cm-1水平,适合高精度的线形研究.并通过对CH4分子在2927 cm-1附近吸收谱线的测量,表明该系统可以结合频率调制方法,进行高灵敏的光谱检测.     

在周期性极化铌酸锂波导中的波长转换与光谱分析

实验研究了在准相位匹配LiNbO₃波导中级联的倍频和差频波长转换,通过对转换频谱分析和波形对比分析,讨论了在脉冲泵浦情况下走离效应对光脉冲之间波长转换的影响：由于波导的色散性能,不同波长的光脉冲在波导中传播具有不同的群速度,处在0.8 μm光波段的倍频光脉冲比处在1.55 μm光波段的泵浦光脉冲的传播速度慢,导致了倍频光脉冲与泵浦光脉冲在传播的过程中发生走离;因此倍频脉冲在频域被压缩而在时域被展宽,并遗传给差频过程使得转换脉冲的谱宽变窄、脉宽增加、占空比变大,表明脉冲光泵浦波长转换对信号频谱及波形不是严格透明的转换。实验同时实现了一对多通道的波长转换,表明连续控制光的线宽对转换信号的信噪比有较大的影响。     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

Wavelength modulation spectroscopy based on quasi-continuous-wave diode lasers

A modified wavelength modulation spectroscopy（WMS）based on the self-heating effect of the tunable diode laser when driven in quasi-continuous-wave（QCW）mode is investigated.A near-infrared distributed feedback（DFB）diode laser working at the QCW mode is employed as the QCW light source,and CO2 is selected as the target gas.The characteristic of the QCW second harmonic（2f）line profile is analyzed through a comparison with that of the traditional CW WMS with the same system.A noise-equivalent absorbance of 3.2×10-5 Hz-1/2 for CO2 at 1.58μm is obtained with 18-m optical path.The QCW WMS lowers the dependence on lasers and expands selectivity,thus verifying the feasibility of the method.     

Absorption line profile recovery based on residual amplitude modulation and first harmonic integration methods in photoacoustic gas sensing

Two methods for recovery of gas absorption line profiles are presented in this paper using photoacoustic spectroscopy and tunable diode laser spectroscopy (TDLS) with wavelength modulation (WM). A theoretical analysis based on Fourier coefficients is given in order to describe the various components that arise under simultaneous intensity and frequency modulation. The first method makes use of the residual amplitude modulation (RAM) signal which is always present in current modulation of distributed feedback (DFB) tunable diode lasers. The second method involves integration of a near-pure first harmonic derivative signal, separated from other distorting components by appropriate choice of the lock-in detection phase in the case of low modulation index. Good agreement is obtained with both methods between the experimental results and the theoretical simulation for the P17 absorption line of acetylene at 1535.39 nm but the second method gives a much improved accuracy and signal-to-noise ratio in lineshape recovery with photoacoustic spectroscopy.     

激光二极管相对于铯饱和吸收D2线的无调制扰动三次谐波锁频

将频率调制加在声光调制器上 ,用三次谐波探测法获得了铯原子D2 线的三阶微分饱和光谱。采用这种激光器无调制扰动方案结合三次谐波锁频技术 ,实现了 85 2nm的分布布拉格反射器半导体激光器相对于 6S1/2 F =4- 6P3 /2 F′ =5超精细跃线的频率锁定。由锁定后的频率误差信号估算 ,10s内激光频率起伏小于± 35 0kHz ,相对频率稳定度约 1× 10 -9。这种无调制扰动方案可以消除一般的饱和吸收稳频方法中由于直接对激光器进行频率调制而带来的额外频率噪声 ;三次谐波锁频技术的应用 ,还可有效地降低铯原子饱和吸收谱中剩余多普勒背景的影响     

高灵敏度激光吸收光谱中的微弱信号处理

可调谐二极管激光频率调制吸收光谱（FM-TDLAS）技术是一种高灵敏度的痕量气体检测方法。为改善以CH₄为目标气体检测系统的信噪比,提高系统的检测灵敏度,以双平衡混频器（double balanced mixer）为核心,设计了一套用于提取被噪声淹没的微弱信号的调制解调高频相敏探测器。在对高频相敏探测器进行具体设计和分析的基础上, 结合实验,利用CH₄气体在1653nm附近的近红外吸收光谱,对整体电路的性能进行了测试,获得了具有较高信噪比的二次和一次谐波信号,检测灵敏度可达10×10^-6。     

Harmonic detection with tunable diode lasers —two-tone modulation

The minimum absorption detectable by a tunable diode laser spectrometer utilising harmonic techniques is often limited by interference fringes generated by scattered light. The sensitivity of the spectrometer to absorption can be increased by applying a jitter modulation. In this paper, the theory of harmonic response for single- and two-tone modulation over optical fringes and Lorentzian absorption lines is developed and compared to experimental measurements. A simple analytic expression for the two-tone harmonic line shape is derived. This expression provides a physical understanding of the effects of the second modulation, and a means to unravel the effects of the second modulation on the linewidth and line shape. For a specific choice of the jitter frequency and phase, it is possible to simultaneously minimise the fringe signal and increase the harmonic absorption signal. The results of this investigation are applicable to trace gas detection using tunable diode lasers, and to other areas of spectroscopy and magnetic resonance where harmonic techniques are used.This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, and the Ontario Ministry of the Environment     

1560 nm连续光半导体激光器经PPLN倍频及经铷吸收光谱稳频

将激光器锁定到合适的参考频率上,可以有效地改变激光器的频率稳定性。1560 nm的分布反馈式半导体激光器,可以通过倍频锁定于铷原子吸收线上。实验中我们利用PPLN准位相匹配晶体进行倍频,当输入光为1.6 W时可以获得25 mW的倍频光,非线性转换系数为0.96%/W。我们还将激光器的频率锁定于Rb原子的吸收线上,30 s内剩余频率起伏约为±3.5 MHz。     

SG-DBR半导体激光器的光谱技术研究

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、高选择性、非侵入的痕量气体实时检测技术,已在大气监测、工业控制等方面得到广泛应用。采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源,并通过自编程序对该激光器设定了18个通道,输出波长分别对应CO,CO₂以及H₂O的吸收谱线中心位置,设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统,描述了相关的光学系统设置,结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO₂的吸收谱线)的吸收光谱,系统获得的CO和CO₂峰值吸收探测极限能够达到10-5。实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量,有效降低设备成本和系统复杂性。     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中,可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一,其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法,在目标含量很低或者极端流场环境下,波长调制技术呈现出更多的优势,检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域,分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一,无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合,还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数,吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时,激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题,提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法,通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性,研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度,调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数,建立吸收模型,测得常温下空气中水汽浓度为1.97%,直接吸收方法测得浓度为1.99%,验证了该测量方法的准确性。研究表明,调制深度随调制幅度的增加线性增加,随调制频率的增加非线性单调减小,随工作温度的升高线性增加;激光器的出光强度和频率同时被调制,强度变化超前频率变化的相位,随调制幅度的变化不明显,随调制频率的增加单调增加,随工作温度的升高单调减小;归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加,随调制频率的增加而减小,随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域,波长调制技术发挥的作用愈加重要,调制系数与谐波信号的峰值息息相关,在波长调制技术应用时,选取适当的调制参数,有利于得到合适的谐波信号,可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性,该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究,利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。     

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷气体检测仪

甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,不仅造成煤矿作业的重大安全隐患,而且又是温室效应的重要气体之一,对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线,设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。通过调谐系数-0.591 cm-1·K-1,采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654 μm处的最佳吸收谱线。待DFB激光器激射中心谱线选择后,通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。同时,结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区,减小1/f噪声。在光学结构方面,采用有效光程为76 m的herriott气室,确保对痕量甲烷气体进行检测。利用该痕量甲烷气体检测仪,在被测气体浓度为50～5 000 μmol·mol-1的范围内,对二次谐波信号进行了提取,并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、信噪比的关系、谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合,最低检测限达到了1.4 μmol·mol-1。实验表明,谐波波形对称性良好,未观察到强度调制现象,消除强度调制等因素对谐波检测的影响。     

激光频率调制吸收光谱测量钻井气样中甲烷13C/12C同位素比

本文利用激光频率调制吸收光谱技术,测量了钻井气样中甲烷~(13)C/~(12)C同位素比。该方法不仅精度较高,而且具有检测限低、光谱分辨率高、样品处理简单和快速测量等优点,可以为油气勘探提供一种有效的辅助手段。