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 清华大学能源与动力工程系, 北京 100084
2 华北电力大学控制与计算机工程学院, 北京 102206
波长调制-直接吸收光谱（WM-DAS）结合了直接吸收光谱（DAS）可直接测量吸收率和波长调制光谱（WMS）高信噪比的优点, 可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。 采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池, 在CO浓度为24.151 μmol·L-1、 常温常压条件下, 测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm-1谱线的吸收率, 用Voigt线型（VP）函数对测量的吸收率进行拟合, 结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上, 证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。 采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合, 对CO分子在4 278～4 304 cm-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量, 实验采用浓度为0.411 μmol·L-1的CO标准气体。 分别采用VP、 Raution线型（RP）和quadratic-speed-dependent-Voigt线型（qSDVP）对测量所得吸收率进行拟合, 得到CO分子与空气分子的碰撞展宽系数γ0(T0)、 Dicke收敛系数β0(T0)和速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T0), 并对测量结果进行不确定度分析。 其中由VP拟合所得各谱线的γ0(T0)与HITRAN数据库中参考值吻合较好, 其相对误差均小于1%; Dicke收敛系数β0(T0)和qSDVP中速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T0)的高精度测量为进一步完善分子光谱数据库及气体参数高精度测量提供了数据基础。
波长调制-直接吸收光谱 吸收率 碰撞展宽系数 Dicke收敛系数 Wavelength modulation-direct absorption spectrosco Absorbance Collision broadening coefficient Dicke narrowing coefficient 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2246
南昌航空大学测试与光电工程学院，江西 南昌 330063
基于离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）设计并搭建一套近红外二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）传感系统，用于快速、实时和原位监测环境中的CH4和CO2。通过加入射频（RF）噪声源减少离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式，从而提高了基于OA-ICOS的CH4和CO2传感系统的信噪比、精度和测量灵敏度。结果表明：加入RF噪声源后OA-ICOS系统的测量精度相对于无噪声源的系统提高了2.74倍。由Allan方差结果可知，在加入RF噪声源的OA-ICOS系统中，CO2和CH4的Allan方差值始终优于无噪声源的OA-ICOS系统，在1000 s时CO2和CH4的探测极限分别为0.55×10-6和5.78×10-9，相对于无噪声源的OA-ICOS系统探测极限至少提高了3倍。在5 s的平均时间下，加入RF噪声源的系统中CH4和CO2的噪声等效灵敏度分别为1.70×10-9cm-1·Hz-1/2和1.07×10-9cm-1·Hz-1/2。此外，对大气中CH4和CO2浓度水平进行了为期4 d的连续监测，以验证所发展的CH4和CO2传感器系统的稳定性和可靠性。
大气光学 直接吸收光谱 离轴积分腔 射频噪声源 双气体探测 时分复用 光学学报
2023, 43(24): 2401013
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 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 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
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国空间技术研究院空间激光信息感知技术核心专业实验室，北京 100094
本文分析了固定波长激光掩星差分吸收技术的优点和不足，介绍了可调谐激光直接吸收光谱技术测量原理。分析了最优波长透过率与信噪比的关系以及测量误差与背景光干扰的关系。根据高灵敏度探测器的工作波长范围，选择了6310.915 cm−1、6310.893 cm−1、6310.890 cm−1、6310.8834 cm−1作为吸收的工作波长，同时选择6310.15 cm−1作为参考波长，并对各波长的探测能力进行了仿真分析。通过仿真结果可知，在1 km垂直分辨率下，在5~35 km内CO2浓度探测误差优于0.9%，7~42 km范围内的探测误差优于0.4%。该技术降低了系统成本和复杂度，有利于星载产品的设计和实现。
激光掩星 二氧化碳 直接吸收光谱 laser occultation carbon dioxide direct absorption spectrum
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, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
陆地或海洋与大气之间的能量和物质交换的定量研究, 特别是二氧化碳(CO2)交换通量的监测, 对研究全球碳循环以及气候变化具有重要意义。基于直接吸收光谱技术和导数吸收光谱技术, 采用收发一体式光学系统, 研制了开放式CO2在线探测样机, 测量区域可达到km量级。利用Allan方差分析了系统检测限, 当积分时间达到100 s时, 检测限为0.08×10-6。使用不同浓度的标准气体, 验证了二阶导数光谱用于浓度反演方法的可行性, 得到相关性为0.998。样机在深圳市生态环境监测站连续运行1个月, 探测结果具有明显的日变化周期性。与安装于附近不同点位的Licor7550-CO2监测仪进行数据对比, 数据变化趋势吻合, 且样机稳定性更优。
激光光谱 可调谐激光二极管 开放光路 导数吸收光谱 直接吸收光谱 laser spectroscopy tunable laser diode openpath derivative absorption spectrum direct absorption spectrum
1 中国计量大学 计量测试工程学院， 浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院 热工计量科学研究所， 北京 100029
3 北京理工大学 光电学院， 北京 100081
4 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
玻尔兹曼常量的定值致使温度测量逐步从协议温标向热力学温标过渡。为实现一种量子化的热力学温度测量传感方案，利用直接吸收光谱方法精密测量铯133原子D1(6S1/2→6P1/2)跃迁吸收谱线，依据谱线多普勒展宽分量获得原子气体在该平衡态下的热力学温度。实验验证将外腔扫描激光器输出频率锁定于精密波长计，实现1000s稳定时长条件下10-9量级的频率稳定度; 通过振幅型声光调制器闭环控制实现优于1000∶1的测量信噪比; 通过福格特线型拟合得到多普勒展宽半高全宽宽度。在室温条件下，初步结果显示温度测量误差为0.12%。由此验证了基于原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温方法可用来实现芯片尺度、免标定的热力学温度测量。
热力学温度测量 多普勒展宽 直接吸收光谱 铯133原子D1线 thermodynamic temperature measurement Doppler broadening direct laser absorption spectroscopy Cs133 D1 line
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
二氧化碳作为大气中重要的温室气体, 与气候变化和人类活动密切相关, 因此对其浓度的探测具有重要意义。 利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池, 实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。 通过Matlab编写光线传输矩阵, 优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池, 相比于传统Herriott型多通池, 具有腔镜利用面积高、 在相同体积内可实现有效光程长等特点, 在物理基长为15 cm的情况下, 实现了14 m的有效光程。 实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器, 采用直接吸收光谱方法对CO2气体进行了探测研究, 并用Allan方差对系统性能进行了分析。 结果表明, 在平均时间为5 s时, 系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1, 平均时间为235 s时, 系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。 此外, 利用该系统实现了大气中CO2的探测, 得到大气中的CO2浓度为383.4 μL·L-1。 基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统, 结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、 高分辨率、 快速响应的优点, 大大减小了系统体积, 提高了系统探测灵敏度, 在气体探测领域有广泛的应用。
可调谐激光 直接吸收光谱 光学多通吸收池 二氧化碳 探测 Tunable laser Direct absorption spectroscopy Optical multi-pass absorption cell Carbon dioxide Detection
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 徐州师范大学 物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
采用分布反馈式半导体激光器作为探测光源，结合程长为100 m的离散型多通吸收池，采用直接吸收光谱技术，对室温下中心波长2.33 μm附近各种低体积分数的CO及混合气体（CO,CH4和N2）的直接吸收光谱进行了测量。选择CO在4 288.289 8 cm-1位置的吸收谱线和CH4在4 287.650 15 cm-1处的吸收谱线进行痕量探测，在40 698 Pa的总压力下，实验测得CO的探测极限为8.15×10-6(信噪比约为216），CH4的探测极限为18.48×10-6(信噪比约为147）。
直接吸收光谱 离散型多通吸收池 探测极限 direct absorption spectroscopy astigmatic mirror multipass absorption cell carbon monoxide CO CH4 methane detection limit
