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
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 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光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 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中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000
实现乙烯气体（C2H4）实时在线精确检测对石油化工、煤矿等行业安全具有重要意义，但是C2H4在近红外波段的谱线强度信息不明确，具有谱带吸收特征，且与CH4有明显的混叠干扰，因此对其浓度进行精确检测是目前激光吸收光谱测量面临的共性技术难题。将波长调制光谱中的标定方法与直接吸收光谱相结合，提出了一种适用于C2H4气体检测的标定直接吸收光谱法（CDAS）。该方法不需要激光吸收光谱反演过程中的确切谱线强度信息，并克服了波长调制光谱在测量过程中出现的非线性效应。为了避免特定工况（如煤矿）中CH4的干扰，实验装置采用了高精度压强控制系统，并且在100 mbar（1 bar=105 Pa）稳定压强下实现了CH4和C2H4混叠光谱的分离。实验过程中对1626 nm附近的CH4和C2H4仿真和实测吸收光谱进行了分析，确定了C2H4的标定光谱范围，进而验证了该方法在体积分数低于100×10-6的范围内，对C2H4气体的检测误差不超过-1.47×10-6，并且测量体积分数与标准体积分数之间的线性拟合优度达到了0.999。对体积分数为10×10-6的C2H4直接吸收光谱进行分析，以1倍信噪比对应的浓度作为检测下限进行等效计算，得到检测下限为1.38×10-6。在Allan方差分析中，积分时间为77 s时检测精度达到了0.04×10-6。以上实验结果充分说明了标定直接吸收光谱法能够在近红外波段实现C2H4的精确检测，并为此类气体的检测提供了一种新思路。
光谱学 乙烯气体（C2H4） 近红外光谱 谱带吸收 标定直接吸收光谱 高精度压强控制
1 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室，吉林 长春 130022
3 吉林求是光谱数据科技有限公司，吉林 长春 130000
目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主，无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制，使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块，其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。该系统可实时获取样本的光谱曲线与光谱图像信息。同时利用该系统获取不同藻类的吸收光谱曲线，进一步使用基于支持向量机的图像分割识别算法，对水中的动态藻类样本进行识别。共测试样本80个，预测结果准确率为100%，召回率为65.52%，为快照式光谱成像技术在显微领域的应用奠定基础。
显微镜 光谱成像 快照式 吸收光谱 目标识别 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618023
1 温州大学生命与环境科学学院，浙江 温州 325035
2 浙江师范大学浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室，浙江 金华 321004
3 浙江金华广福肿瘤医院，浙江 金华 321000
4 温州大学化学与材料工程学院，浙江 温州 325035
5 温州大学电子与电气工程学院，浙江 温州 325035
针对呼出气一氧化氮（FeNO）体积分数的检测，使用了具有高灵敏度、高精度等特性的可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术。利用直接吸收光谱（DAS）技术和波长调制光谱（WMS）技术对呼出二氧化碳（CO2）体积分数进行标定，并通过模拟两种气体信号来确定相关系数并完成FeNO体积分数反演。连续测量15 min气体体积分数，根据其变化实验和Allan方差曲线分析确定两种气体的参数，该系统中的CO2气体测量精度和探测极限分别为0.045%和5.4×10-3，一氧化氮（NO）气体测量精度和探测极限分别为1.1×10-9和3.4×10-9；通过反复置换CO2和NO的混合气体与氮气（N2）测量气体体积分数随时间变化情况来确定该系统响应时间为12 s；最后根据单次呼气周期曲线确定志愿者呼出气体中CO2和NO的体积分数。该研究为FeNO的在线检测提供实验依据。
生物技术 光谱学 二氧化碳 一氧化氮 临床应用 吸收光谱
1 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛 066003
3 爱丁堡大学工程学院，英国 爱丁堡 EH93JL
4 河北省信息传输与信号处理重点实验室，河北 秦皇岛 066004
可调谐二极管激光吸收光谱层析成像（TDLAT）是一种重要的光学非侵入式燃烧检测技术。然而，TDLAT逆问题的欠定性本质使得现有迭代层析成像算法重建的燃烧场温度分布图像存在较大误差。针对该问题，笔者将图像处理领域的卡通-纹理模型引入TDLAT，提出了基于卡通-纹理模型的温度重建算法（TRACT）。该算法利用全变差约束下的Landweber算法重建气体吸收密度图像中的卡通成分，较好地恢复其中的平滑特征与边缘结构；构建改进的迭代收缩阈值算法深度展开网络，并用其重建气体吸收密度图像中的细节纹理成分；通过卡通成分重建与纹理成分重建的相互补充，提高气体吸收密度图像的整体重建质量，进而提高燃烧场温度分布图像的重建质量。利用火焰动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAT实验系统实际测量数据进行的重建实验均表明，与现有的迭代层析成像算法相比，TRACT重建的燃烧场温度分布图像在客观评价指标与主观视觉质量方面均有较大提升。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 层析成像 温度重建 双线测温法 卡通-纹理模型
1 东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
提出一种基于X射线吸收光谱（XAS）的全能谱拟合方法，先通过样品元素的衰减系数曲线和射线源的本底能谱曲线获得样品的理论吸收能谱，再将理论吸收能谱与实际穿过样品的吸收能谱进行拟合，由退火算法计算得到薄膜样品的元素面密度值。该方案有效降低了噪声与探测器响应函数引入的误差。实验结果表明，系统在单元素下的测量结果重复测量标准偏差较小，测量不确定度在10-4 g/cm2量级，且能进行多元素薄膜面密度的测量，满足惯性约束聚变实验中对金属薄膜无损与高稳定的测量需求。
X射线吸收光谱 金属薄膜 面密度 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512003
1 香港中文大学机械与自动化工程学系，香港 999077
2 复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433
报道了一种基于柔性空芯光纤和量子级联激光器（QCL）的中红外吸收光谱技术，可同时检测NO和NO2气体。QCL在间歇连续波（iCW）模式下运行，结合柔性空芯光纤具有小型化传感器的潜力。分别选择1929.03 cm-1和1599.91 cm-1的吸收线用于NO和NO2检测，两束激光同时耦合到内径为530 μm的100 cm长的柔性空芯光纤中。直接吸收光谱首先用于展示双气体检测，QCL以iCW模式运行并结合时分复用技术，然后采用一次谐波归一化的波长调制光谱来消除非气体吸收带来的信号强度变化的影响，并研究了气体传感器的性能。对于体积分数为50×10-6的NO与15×10-6的NO2，检测精度分别评估为5.2%和4.1%。当积分时间为60 s时NO的检测限为39×10-9，当积分时间为50 s时NO2的检测限为9.2×10-9。
激光吸收光谱 柔性空芯光纤 间歇连续波 一氧化氮 二氧化氮 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0306003
1 山西大学激光光谱研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
为了研究室内二氧化碳（CO2）体积分数变化以及其与人类活动之间的关系，设计了一种开放路径式可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）传感系统对室内CO2体积分数进行监测。采用中心波长为2004 nm的分布式反馈（DFB）激光器作为激励光源测量CO2的R（16）特征吸收线。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法拟合测量光谱，实现体积分数测量免定标。与商用XENSIVTMPAS二氧化碳传感器进行对比测量，二者的相关度R2达到0.89。结果显示，室内CO2每日体积分数均值为4.63×10-4，略高于室外的CO2体积分数，并且一天内波动范围在3.86×10-4~5.66×10-4之间。室内CO2体积分数受通风情况和室内人员活动的影响，其每日体积分数变化趋势与人员工作时间高度相关。在人员密度为0.005 人/m3的情况下，测量得到CO2体积分数的增长速率为2.3×10-5 h-1。因此，人员拥挤的室内环境应及时通风，以防止体积分数过高的CO2引起不适。
可调谐二极管激光吸收光谱技术 痕量气体 免标定 室内二氧化碳检测 在线监测 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0530004
1 武汉理工大学 汽车工程学院，湖北武汉430070
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林长春130033
针对视线效应（Line-Of-Sight，LOS）的双色激光吸收光谱（Laser Absorption Spectroscopy，LAS）火焰测温技术，研究了热化学参数的非均匀分布对碳烟火焰温度测量的影响。优先选出水汽（H2O）在1.3~3.0 μm内的6对典型吸收谱线，针对氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰，利用高保真光谱数值模拟仿真系统研究了非均匀温度和浓度分布对所选6对谱线的测温结果的影响，得到了氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰的非均匀性条件。对于氮气伴流碳烟火焰，仿真得到的谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1和5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1的最大相对温度偏差分别是4.72%（最小）和12.40%（最大）。空气伴流碳烟火焰的谱线对相对温度偏差有正有负，且其最大正负值均出现在δ/L=80%的非均匀条件下，谱线对5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1相对温差的最大正负值分别为14.43%和-2.51%；谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1相对温差的最大正负值分别为3.22%和-13.21%。最后，通过典型谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1的吸收光谱进行了实验验证。实验结果表明：在两种典型碳烟火焰中，谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1对热化学参数的非均匀性不敏感，可以最大程度上减弱热化学参数非均匀分布对其测温结果的影响。
激光吸收光谱技术 热化学参数非均匀分布 碳烟火焰 温度测量 laser absorption spectroscopy non-uniform distribution of thermochemical parameters sooting flame temperature measurement 光学 精密工程
2023, 31(19): 2799
贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550018
酒精浓度的非接触式测量是一种新型的测量方法。对一些特殊行业有着很大的帮助，比如酿酒业测量酒的酒精浓度，工业上生产工业酒精等。为了便于测量不能接触的酒精溶液，文中设计了一种基于近红外吸收光谱特性的酒精浓度测量系统，可以对不同浓度的酒精溶液进行非接触式连续测量。对于酒精来说，在1300~1 350 nm的光谱段浓度定性反应非常明显，使用处于该波段的红外LED发光二极管，加上光电二极管、模数转换芯片、单片机和LCD屏幕组成该系统。通过使用该系统对不同浓度的酒精进行测量，利用最小二乘法找到酒精浓度和电压信号之间的函数关系式。这样就能通过测量电压值来反推出酒精浓度值。实验表明，在该红外波段下，采集到的电压值和酒精浓度之间有良好的二次函数关系，拟合优度达到了0.99946。测量结果显示，测量值和标准值之间的相关系数R为0.999911，平均绝对误差为0.64。与传统酒精计的0.5相差不大，重复测量和连续测量的方差分别为0.0044和0.0056，证明了该装置的稳定性和可靠性符合预期。而且通过优化电路和程序，选择更为精确的酒精计作为标准，可以使误差更小。该方案相比传统测量方法结构简单，速度更快，还可以进行连续测量。在现实生活中，制酒业、医疗行业和工业生产等行业都对于测量酒精浓度有着很高的需求。该装置可以在不损坏产品的情况下进行酒精浓度测量，它的连续检测能力对某些行业的批量生产有着很大的帮助。通过改良，可以实现自动化检测。除了企业生产，也可用于制造日常使用的便携式酒精浓度测量仪。
酒精浓度测量 近红外吸收光谱特性 非接触测量 光电二极管 红外LED光源 measurement of ethanol concentration near infrared spectrometry characteristics non-contact measurement photodiode infrared LED light source 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230510
