1 太原科技大学 应用科学学院，山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心， 山西省光场调控与融合应用技术创新中心，山西太原030024
2 江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏徐州1116
为了实现煤热解过程中痕量乙烯（C2H4）标识气体的在线识别与检测，结合波长调制与长光程技术，搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源，有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池，利用SR830进行波长解调，通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器，利用高纯氮气稀释乙烯配比，制备得到10×10-6到90×10-6的标准乙烯样气，其线性拟合的相关系数R2为0.998 9；对浓度为20×10-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析，实验结果表明，检测极限为121×10-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律，控制气体流速为150 mL/min，分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现，当温度小于500 ℃时，3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致，当温度在500~700 ℃时，氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体，但空气中乙烯释放的增速最快，最大释放量约为40×10-6，温度高于700 ℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 乙烯 Allan方差 波长调制 煤热解 tunable diode laser absorption spectroscopy ethylene allan variance wavelength modulation
江苏师范大学物理与电子工程学院，江苏 徐州 221116
基于腔增强吸收光谱（CEAS）技术和波长调制光谱（WMS）技术，搭建了腔增强光谱测量系统，并采用该系统实现了CO体积分数的测量。实验中使用中心波长为2.3 μm的分布式反馈激光器作为光源，以反射率为99.8％的两片高反镜构建了基长为30 cm的光学腔，达到了147.15 m的有效吸收路径；在此基础上，利用4297.705 cm-1处的CO吸收谱线作为传感目标，实现了对CO的探测。利用CO体积分数不同的CO+N2的混合气体对系统的测量准确度进行验证，结果显示，测量值与参考值大小基本吻合，测量误差约为0.2%，证实了所搭建系统的测量准确性。利用体积分数为3×10-6的CO气体的二次谐波信号对系统的探测极限进行了分析，得到系统对CO的探测极限为138×10-9。
光谱学 腔增强吸收光谱技术 波长调制光谱 CO气体 体积分数测量 中国激光
2023, 50(13): 1311001
江苏师范大学物理与电子工程学院，江苏 徐州 221116
设计了一种气固两相高温光学样品池，模拟同时存在颗粒物的气体探测环境，并通过搭建可调谐二极管激光吸收光谱测量系统，对颗粒物环境下的温度与乙炔体积分数测量技术进行研究。使用质量流量计配置体积分数为0.1%~1%的乙炔气体，并设计颗粒物播撒装置，将直径为125 μm的石英砂颗粒与不同体积分数的乙炔气体混合通入样品池，在样品池外侧设置纤维加热腔进行温度控制，产生不同温度的样品环境。使用中心波长为1540 nm的DFB激光器，通过对6489.07 cm-1与6490.02 cm-1位置处的一对乙炔吸收谱线进行同时探测，实现了对温度与乙炔体积分数的同时测量。分析发现，500~1000 K温度范围内的温度测量一致性R2≈0.998，相对平均标准偏差为3.05%，乙炔体积分数测量一致性R2≈0.995，相对平均标准偏差为2.65%。此系统满足颗粒物环境下气体光谱探测研究的需求，可为气固两相环境下的光谱探测技术研究提供参考。
光谱学 吸收光谱 消光光谱 样品池 气固两相 气体探测
江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点, 是高灵敏吸收光谱技术的重要分支之一, 在其应用过程中, 腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。 利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统, 使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜, 以CO2气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标, 对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。 第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池, 通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号, 比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径, 然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定; 第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度, 并结合数据库中的谱线线强值, 实现了对腔镜反射率进行标定。 结果表明, 方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5, 经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%, 得到大气中CO2气体的浓度为0.037 3%, 与实际大气CO2的含量相符合, 验证了此方法的准确性; 该方法的优点是不受样品浓度影响, 但因引入新的参考池, 需要两池中气体的压强和温度都保持一致, 此方法适用于开放式的腔体结构。 方法二中测得大气中CO2分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱, 并结合大气中CO2气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3, Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1, 计算得到镜片反射率约为99.84%; 此方法优点是结构相较前一种方法更简单, 但需要已知被测气体的分子数密度, 因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。 由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定, 根据两种方法的特点, 在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。
光谱学 腔增强吸收光谱 腔镜反射率 标定方法 Spectroscopy Cavity enhanced absorption spectroscopy Mirror reflectivity Calibration method 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2945
江苏师范大学物理与电子工程学院江苏省先进激光材料与器件重点实验室, 江苏 徐州 221116
搭建了基于2.3 μm中红外可调谐二极管激光器的CO气体的光声光谱测量系统,并选取4300.699 cm -1处的CO吸收谱线作为传感目标。为了消除较长的CO分子弛豫时间对测量的影响,采用在实验气体中混入水汽的方式来增强光声信号。通过优化调制参数确定出系统的最佳调制振幅和调制频率分别为4.29 cm -1和785 Hz。在最优的实验条件下,所选谱线的二次谐波信号与CO浓度间具有良好的线性关系,其线性度为0.994,利用该关系反演出空气中CO的体积分数约为2.13×10 -6。最后利用Allan方差对干湿条件系统的长期稳定性进行了分析,得到系统在干湿条件下的探测极限分别为1.18×10 -7和0.58×10 -7,验证了水汽的加入可以有效提高系统对CO的探测灵敏度。
光谱学 光声光谱 波长调制 CO气体
江苏师范大学物理与电子工程学院江苏省先进激光材料与器件重点实验室， 江苏 徐州 221116
乙烯(C2H4)是石油化工产业中的基本化工原料，具有爆炸性，也常被作为煤层自燃的标识性气体。为实现对低浓度乙烯的检测，搭建了基于近红外可调谐二极管激光器的低成本光声光谱测量系统。通过对乙烯近红外波段吸收谱线的分析，选择了乙烯位于1620.44 nm处的吸收谱线作为测量对象，并结合波长调制吸收技术，使用光声池的共振频率作为激光器的调制频率，利用吸收谱线的二次谐波信号实现了对乙烯浓度的反演。实验结果表明系统对于乙烯的测量准确度为0.688%，探测极限达到了1.16×10-5，对同一样品在30 min之内的连续测量验证了系统良好的稳定性，所有实验结果均显示了该套系统在乙烯痕量探测方面的应用价值。
光谱学 光声光谱 波长调制 乙烯
江苏师范大学物理与电子工程学院， 江苏 徐州 221116
出了一种多模二极管激光吸收光谱测量系统，该系统以发射谱稳定的多模二极管激光器作为光源，结合长程吸收技术和谐波检测技术，通过对1570 nm CO分子多条吸收谱线的探测，实现了对CO浓度（即指体积分数）的测量。实验在室温和20.265 kPa(即0.2个标准大气压)条件下进行，通过配置不同的CO-N2混合气体，对一系列不同浓度的样品气体进行了测量。测量前通过9种不同浓度的CO-N2混合气体对系统进行定标，获得定标公式，用得到的定标公式进行CO浓度的反演。结果表明，在CO体积分数低于10%的情况下，浓度测量值与已知值一致性较高，平均偏差为2.57%；通过对CO体积分数为0.5%的混合气体测量信号进行分析，得到系统对CO的探测极限为3.03×10-5。该系统可以满足CO的在线监测，且稳定性高、灵敏度高，实验装置简单、易用。
光谱学 二极管激光吸收光谱 可调谐多模二极管激光器 谐波检测 CO浓度
江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
在传统荧光光谱技术的基础上, 结合金属纳米颗粒的增强荧光技术, 探索提高荧光光谱技术检测人全血溶液中胆固醇含量的精度和分辨率的方法。 实验研究方面, 采用波长为407 nm的激光作为激发光, 照射加入一定量银纳米颗粒作为荧光增强剂的人全血溶液, 研究了银纳米颗粒对人全血溶液在可见光波段的荧光增强作用。 结果表明, 胶体状态的银纳米颗粒可以显著增强低浓度的人全血溶液荧光光谱的强度, 且不同位置荧光发射峰的荧光增强效率随银胶加入量的增加均呈现先增后减的趋势, 但不同峰位置的最强增强效率对应的银胶加入量不同。 理论分析方面, 根据实验结果及胆固醇分子和银纳米颗粒在溶液中的分布情况, 建立了分子间距模型, 并根据模型计算得出胆固醇分子和银纳米粒子之间的最佳增强荧光效果间距在12.19～25 nm范围内, 这个结果和其他文献中的理论值吻合较好。 综上所述, 使用银纳米颗粒可实现全血溶液荧光的增强, 研究结果为提高检测血液中多种物质的灵敏度和精度提供了有价值的参考作用。
光谱学 荧光增强 银纳米微粒 胆固醇 全血溶液 Spectroscopy Fluorescence enhancement Silver nanoparticles Cholesterol Whole blood
1 滨州学院光电工程系理论物理研究所, 山东 滨州 256603
2 江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点, 被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题, 提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源, 通过对760 nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测, 实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号, 分别经过样品池和测量池, 双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理, 通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演, 其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明, 在1个大气压条件下, 系统的探测极限为280 ppm·m, 对同一样品在30 min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%, 表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测, 且系统稳定性高、装置简单、易用, 便于复杂环境应用。
可调谐多模二极管激光器 关联光谱 谐波检测 氧气浓度 Tunable multi-mode diode laser Correlation spectroscopy Harmonic detection Oxygen concentrations
1 江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
通过具有高灵敏度、 非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测, 是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。 作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物, 二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。 为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法, 利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源, 以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线, 结合固定波长的吸收光谱调制技术, 通过该CO2谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO2浓度测量, 建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法, 通过实验验证得出该方法在5 atm压力、 500 K温度下和10 atm压力、 1 000 K温度下对于CO2浓度测量的平均标准偏差为3.99%; 另外还对实验中所得CO2直接吸收及二次谐波信号进行了分析, 得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。
可调谐二极管激光吸收光谱 波长调制光谱 高温高压 二氧化碳浓度 Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS Wavelength modulation spectroscopy High temperature and pressure CO2 concentration 光谱学与光谱分析
2014, 34(7): 1769
