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摘要:大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛,在其探测技术方面,激光吸收光谱技术具有体积小、可在线、灵敏度高等优点,在气体同位素探测中越来越受到重视.工作中研究了2.7μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser,DFB)可调谐半导体激光器的性能,在遵循12 CO2和13 CO2同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上,确定了合适的激光器输出波长.结合光程390.3 m的新型多次反射池,实现了大气中CO2分子的δ13 C同位素丰度探测....
摘要:天然气集输站场是天然气输送和储存过程中的枢纽,也是天然气泄漏检测的重点对象.传统的天然气泄漏检测技术响应慢、效率低,难以满足实际所需.可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、无需维护等优点得到广泛应用.使用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现了同时对天然气的主要成分甲烷、乙烯、乙炔三种气体实时测量的开放式检测和报警系统.实验结果表明,该系统响应时间小于2 s,其甲烷、乙烯、乙炔的测量精度分别小于100 ppm-m,40 ppm-m,50 ppm-m,为石油化工行业中天然气泄漏检测技术提供了新的技术方法....
[博士论文] 韩荦
光学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:稳定同位素以其特有的指示性作用,被普遍的应用到地球化学、医疗、生态等领域。这些应用都需要对同位素丰度精确的测量,传统的同位素丰度测量技术是质谱技术,经过多年的研发已具有很高的灵敏度。但是质谱技术有诸多局限性,如体积大、价格昂贵、样品需要采集并预处理等,这些因素都大大限制了质谱技术的应用。激光吸收光谱技术作为一种新型的同位素探测技术,具有体积小,响应快,操作方便,可实时在线等优点,受到广泛的关注,得到快速的发展。
  本文主要围绕CO2气体及其同位素丰度的测量进行展开。结合波长调制离轴积分腔输出光谱技术(Wavelength Modulated Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy,WM-OA-ICOS),实现对CO2气体中13C、18O的丰度探测。研究内容及创新点有:
  (1)对于吸收光谱技术而言,谱线的选择是至关重要的,也是首要任务。谱线的选取需要考虑的因素有很多,如避免其他气体的干扰,合适的吸收线强等。选择合适的谱线可以大大提高系统的探测结果。本文主要探测CO2及其同位素,分析16O12C16O、16O13C16O、16O12C18O这三者的吸收谱线,研究温度与压力对吸收谱线与吸收线强的影响。并利用数据库对吸收进行模拟,最终确定所选取的谱线位置。
  (2)建立一套基于波长调制离轴积分腔输出光谱技术的同位素丰度探测系统。研究相关器件的性能指标,选取适合的部件。光路系统是吸收光谱技术的重要组成部分。为实现腔内较窄的自由光谱区间隔,本系统利用的一种Herriott型积分腔。积分腔基长15.9厘米,光斑在两镜片上来回反射11次,实现较密的自由光谱区间隔,使更多的光耦合进积分腔内。对光路系统进行安装调节,对出现的模式现象进行分析。并利用光学模拟软件,对腔内的光路分布以及镜面上的光斑分布进行模拟。积分腔的体积较小只有81mL,较小的体积保证气体置换的效果。在此基础上,编写相关的软件,进行信号采集处理,最终实现对CO2气体中13C、18O同位素丰度的实时检测。
  (3)研究室温对量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers,QCL)输出波长的影响,提出一种实现激光器波长稳定输出的方法。利用探测器探测激光输出的结果,与标准信号进行对比,判断漂移量。根据输出波长的漂移情况,利用数字电位计,改变激光器的驱动电流。通过驱动电流的修改,来消除激光器输出的漂移。最终减少量子级联激光器工作过程中受到环境温度变化的影响,使系统具有更广泛的适用性。
  (4)提高系统的性能除了提高器件性能和结构的稳定性外,信号处理方法也是一种常用的手段。选取的波段在4.3μm处,激光器的输出一般不会采用光纤尾纤输出。这种情况便会导致一部分光路裸露在外部空间内,腔内相比于外部光程较长,但是腔内属于低压状态,腔内的分子数密度远小于腔外部。因此,外部空间环境的变化会影响基底噪声与测量结果。对信号进行光强修正,同时分析信号的特性,选取合适的小波基函数对信号进行处理,有效抑制背景噪声提高测量精度。
摘要: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组成部分.随着半导体材料和封装工艺的发展,腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展,在环境监测、医疗诊断、国防建设、工业生产等领域有广阔的应用前景.对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述,从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发,基于不同的光源描述常见的实验配置,其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况,并总结了目前该技术在不同领域的应用,最后对各装置的发展前景进行了展望....
摘要:可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点得到了广泛应用.基于该技术以燃烧参数诊断为目标,使用一台窄线宽、波长可调谐的分布反馈式(DFB)激光器产生扫描1395.51 nm和1395.69 nm两条H2O吸收谱线的激光,经1×4光纤分束器实现燃烧场内4条平行路径中温度和H2O浓度的同时在线检测,采用分段温度梯度测量方法补偿低温段对高温区域测量的影响,使中心燃烧区域温度的测量精度由原来的10%提高到3%以内.通过控制空气流量,测量三种不同燃烧状态下中心燃烧区域的温度与H2O浓度变化,结果表明,三种燃烧状态的中心燃烧区域温度差约为80K,H2O浓度与温度变化情况一致,验证了实验系统和数据处理方法的稳定性和可行性,为下一步燃烧层析诊断及燃煤锅炉燃烧效率优化提供了支持....
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