1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
二氧化碳(CO2)是植物光合作用的原材料, 也是一种温室气体, 其过量地排放会影响动植物的生态环境。 在碳达峰、 碳中和的背景下, 研制高灵敏度的CO2检测装置具有重要意义。 为了监测大气环境中CO2含量的变化, 设计了一种长光程共振式CO2气体光声传感器, 并以此搭建了光声检测装置。 以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源, 激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔, 在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。 吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹, 降低由池体吸收光能后产生的热噪声。 吸收腔上耦合一根声学管, 当其工作在一阶纵向共振模态时, 光声信号被放大, 在管子末端达到极大值。 为了进一步增大光声信号, 通过饱和加湿样品的方式来加快CO2气体的弛豫速率, 加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。 使用一系列浓度的湿润CO2样品标定光声检测装置, 结果表明, 光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。 在此基础上, 通过对标准气体的检测实验, 验证了装置的准确性与稳定性。 利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度, 当平均时间为865 s时, 检测灵敏度为0.35×10-6。 与传统T型光声池相比, 光程增加了约20倍, 光声信号提升了约6倍。 使用装置对室外环境中的CO2进行了共10 h的检测, 得到室外CO2的平均浓度约为381×10-6。 综上所述, 由于长光程、 声共振以及加湿样品的有机结合, 有效地增大了CO2的光声信号, 为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。
光声光谱 长光程 声共振 弛豫速率 Photoacoustic spectroscopy Long optical path Acoustic resonance Relaxation rate
塑料产品除了在自然环境中可降解为微塑料污染环境之外, 还会产生挥发性有机物, 同样对环境造成巨大的污染和危害, 因此对塑料挥发物的测量就显得尤为重要。 目前传统挥发物的测量方法, 如环境质谱法和色谱法等, 存在测量过程复杂, 成本高, 无法实时测量等缺点, 因而需要一种快速有效的针对塑料挥发物的测量方法。 采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR Spectrometer)结合怀特池对塑料挥发物进行测量, 但是由于抽取式傅里叶变换红外光谱仪本身灵敏度有限, 很难实现微量的塑料挥发物的测量, 所以针对这一问题, 尝试通过长光程气体池提高常规傅里叶变换红外光谱仪的灵敏度从而实现不同种类塑料挥发物的测量。 选取了5种塑料产品, 分别是低密度聚乙烯(LDPE), 高密度聚乙烯(HDPE), 聚乙烯(PE), 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET), 聚丙烯(PP), 利用光程长为20 m的怀特池结合傅里叶变换红外光谱仪实现了其中一些挥发物的光谱特征观测, 实验观察到所有种类的塑料在2个光谱波数段具有明显的光谱特征, 分别为800~850和1 050~1 150 cm-1。 除聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)外, 其余4种塑料挥发物在2 800~3 000 cm-1还存在明显的光谱吸收波段。 进一步又研究了不同温度条件下塑料产生的挥发物, 通过分析不同温度条件下的塑料产生的挥发物的红外光谱, 发现除低密度聚乙烯(LDPE)在两种温度条件下光谱差异较大外, 其他种类的塑料挥发物红外光谱差异较小。 该研究提出了一种新型的基于长光程FTIR的塑料挥发物的测量方法, 证实了其在塑料挥发物测量方面的有效性, 这种方法具有测量成本低, 可连续观测, 实时在线等优点, 为实现连续在线的塑料挥发物排放通量监测奠定了基础。
中红外 长光程气体池 塑料挥发物 快速检测 Mid-infraredspectroscopy Long optical path gas cell Plastic volatiles Fast measurement 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3039
1 深圳大学新能源研究中心, 广东 深圳 518000
2 深圳大学光电工程学院光电子器件与系统 (教育部/广东省) 重点实验室, 广东 深圳 518000
3 安徽理工大学深部煤矿开采响应与灾害防治国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
4 安徽理工大学机械工程学院, 安徽 淮南 232001
提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成, 相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池, 此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层, 这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触, 减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染, 从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力, 利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的 White 池与 Herriot 池 (体积约为 700 cm3, 约经过 80 次光反射), 仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积 (约 236、393、422 cm3) 分别实现 62、100、99 次光反射, 并提 供 14.64、40、42.57 m 的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大, 其比值分别 为 100、62、101 mm－2, 表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。
光谱学 平面镜光学多通池 设计与仿真 高反射率 长光程 高灵敏度 spectroscopy plane multipass cell design and simulation high reflectivity long optical path high sensitivity
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
拉曼光谱技术具有多组分同时探测、 分析周期短和非接触等特点, 被应用于多个领域, 但是由于较低的探测灵敏度, 限制了拉曼光谱技术的发展。 针对提高拉曼光谱技术对气体探测灵敏度问题, 本文设计并搭建了一套基于空芯光纤气体拉曼光谱增强系统, 开展了空芯光纤拉曼光谱系统和后向散射拉曼光谱实验系统对比实验研究。 实验结果表明, 空芯光纤对信号、 背景和噪声都具有放大效果, 以空气中氮气和氧气为探测物质, 与后向拉曼光谱信号相比, 在相同探测时间情况下, 信号强度增强60倍以上, 信噪比增强约6倍; 在相同探测强度情况下, 探测时间仅为后向散射的1/60, 噪声为后向散射拉曼系统的1/2。
拉曼光谱 气体探测 空芯光纤 长光程增强 Raman spectroscopy Gas detection Hollow core optical fiber Long optical path enhancement
太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
温度场起伏导致空气折射率的起伏，风速的变化影响湍流的动态特性，从而形成光学湍流效应，对大气激光传输产生影响。研制了一种用于研究激光大气传输效应的Herriott长光程大气湍流发生装置，此装置能模拟出温度差范围为10~200 ℃，风速范围为0~5.8 m/s以及光程为1~100 m 的随机大气湍流。分析并测量了在不同温度、风速参数下该装置对激光传输的光束质量影响。实验结果表明，该大气湍流发生装置的性能指标与实际大气湍流性能较为接近，且具有温度范围宽、光程可调、重复性好、准确度高等优点，能够满足大气传输湍流效应的实验要求。
大气光学 大气湍流 长光程 M2因子 折射率结构常数
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
CO作为大气中重要的污染物和煤矿、油田等环境的危险气体，CO浓度的实时监测对生产生活安全具有重要意义。筛选出CO位于2334 nm附近的R(6)吸收谱线，搭建了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的长光程开放光路大气CO 监测系统。采用直接吸收技术，吸收光程为700 m，借助离轴抛物面镜实现了收发同光路；低功耗、小型化的测量控制系统，在单块电路板上实现了激光器驱动、光谱信号处理等功能，单板体积为120 mm×100 mm×25 mm，功耗小于5 W。上位机对光谱数据进行多峰拟合处理，分离出CO和CH4的吸收光谱，反演CO浓度。通过分析光谱数据标准差可知，在1 s响应时间下的检测限为0.06×10-6。对大气中的CO浓度进行了连续监测，测量结果和CO点式分析仪结果一致性良好，验证了该系统仪器化的可行性。
光谱学 可调谐半导体激光光谱技术 长光程探测 开放光路 大气CO 监测
1 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学仪器与动态测试重点实验室, 山西 太原 030051
针对红外气体传感器对光源的要求, 选用了一种宽波长、 高调制频率、 低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源, 其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。 由于其面光源的朗伯辐射特性, 整形之后的红外光数值孔径仍然很大, 采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。 本文结合双波长单光路的差分检测方法, 设计了一种基于积分球特性的吸收气室, 有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题; 并运用光在传输过程中光通量守恒的原理, 推导了此积分球吸收气室的等效光程, 解决了积分球气室等效光程计算的难题; 同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号, 使得外围电路的设计更加简单、 灵活。 设计中, 使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程, 研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6, 极大地提高了红外检测系统的灵敏度。
红外气体传感器 MEMS红外光源 长光程 积分球气室 FPGA主控芯片 Infrared gas sensor MEMS infrared light source Long optical path Integrating sphere FPGA control chip
