1 输变电装备技术全国重点实验室（重庆大学电气工程学院），重庆 400044
2 中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆 401254
基于空芯反谐振光纤设计搭建了光纤增强拉曼光谱检测平台，实现了95%的激光耦合效率；提出CCD和小孔协同降噪方法，使信噪比提高约6倍；相比于未使用光纤时，信噪比提高约270倍。基于单一标准浓度气体分析，确定了用于气体定性的特征拉曼谱峰及标定模型并建立了过程气体定量分析模型，实现了CH4裂解制备C2H2过程气体现场样本的同时检测分析，主要成分包含H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6和C2H4。各气体同时最小检出限分别达到6.3、26.6、1.2、2.2、4.2、3.9、9.1 μL/L?bar，各气体含量分别为560 588.51 μL/L、230 678.21 μL/L、33 107.65 μL/L、56 086.77 μL/L、77 945.56 μL/L、1 307.19 μL/L、1 823.55 μL/L，各气体浓度与色谱仪标定值相符，检测误差低于4.95%。该方法为CH4裂解制备C2H2控制提供了重要的途径。
拉曼光谱 过程气体 空芯反谐振光纤 降噪 Raman spectroscopy Process gases Hollow-core anti-resonance fiber Noise reduction
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。 尽管目前基于吸收效应的光谱分析方法在气体检测领域占据主导地位, 尤其是光声光谱法, 但在不久的将来, 气体拉曼传感技术有望在气体检测领域得到越来越广泛、 越深入的应用。
拉曼光谱 气体传感 腔增强 光纤增强 Raman spectroscopy Gas sensing Cavity enhancement Optical fiber enhancement 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3345
1 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室, 江西 南昌 330063
2 南京大学大气科学学院, 江苏 南京 210023
3 法国滨海大学大气化学物理实验室, 法国 敦克尔克 59140
非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术凭借其高选择性、高灵敏度、高时空分辨率等优势而逐渐成为NO3自由基的主要测量方法之一。然而其使用的光谱仪分辨率有限,不足以分辨水汽的精细吸收结构,导致水汽的吸收非线性,进而影响NO3自由基浓度的准确反演。介绍了一种基于插值法获取水汽有效吸收截面的方法,并将其用于消除IBBCEAS装置中水汽吸收对NO3自由基浓度反演的干扰。利用不同浓度的水汽吸收谱结合插值法获得了水汽的有效吸收截面,使用该有效吸收截面来反演不同浓度的水汽,反演结果与商用湿度计测量结果的线性相关系数为0.99789。在此基础上测量并拟合了不同水汽浓度下NO3自由基和NO2气体的吸收,在拟合残差上未发现水汽残余结构,水汽反演结果与商用湿度计测量值的线性相关系数为0.999。在30 s的积分时间内,NO3自由基和NO2的探测极限分别为5.8×10
-12和3.6×10
-9。将本装置应用于夜间大气中进行NO3自由基和NO2浓度的测量,测得NO3自由基体积分数为18.4×10
-12~22.9×10
-12,平均体积分数为20.2×10
-12,NO2体积分数为0.6×10
-9~16.0×10
-9,平均体积分数为9.9×10
-9。实验结果表明:利用插值法获得的水汽的有效吸收截面能够有效消除水汽吸收对NO3自由基浓度反演的干扰,提高NO3自由基和NO2气体浓度测量的准确度。
光谱学 非相干宽带腔增强吸收光谱 NO3自由基 水汽有效吸收截面
1 南昌航空大学测试与光电工程学院, 江西 南昌 330063
2 法国滨海大学大气化学物理实验室, 法国 敦克尔克 59140
人体呼出气体中CO2和水汽的浓度变化与身体状况密切相关,因此对其浓度进行检测具有重要意义。提出一种基于2.73 μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402 cm
-1和3659.934 cm
-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气体中的CO2和水汽同时进行测量。结果表明:利用二次谐波信号对气体浓度进行定标,当CO2和水汽的体积分数分别小于35%和2.3%时,线性度分别达到0.99945和0.99679;对呼吸循环过程中CO2和水汽的浓度进行实时测量,积分时间为0.92 s时,探测灵敏度分别为4.33×10
-3和1.37×10
-4;在采集时间为56.8 s时,CO2的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17 min时,CO2的探测极限可达到1.49×10
-4。
光谱学 呼出气体分析 波长调制光谱技术 激光吸收光谱 CO2 水汽 光学学报
2018, 38(12): 1230001
