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光学精密工程

光学精密工程 光学精密工程
  • 主编：张学军，曹良才
  • ISSN:1004-924X
  • eISSN:2097-3209
  • CN:22-1198/TH
  • 主管单位：中国科学院
  • 主办单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
    • 中国仪器仪表学会
  • 出版周期：半月刊
  • 电话：0431-86176855
  • 邮箱：gxjmgc@ciomp.ac.cn
  • 地址：长春市东南湖大路3888号
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Volume 34 期 15，2026 2026年第34卷第15期

  • 激光光谱技术与仪器

    莫冰玉, 王海亭, 马国祥, 李辰溪, 李子彬, 韩梦龙, 陈珂

    DOI：10.37188/OPE.20263415.2271
    摘要：为实现变压器油中溶解气体的在线检测，提出一种基于微腔光热传感器的油中溶解乙炔（C2H2）气体检测方法。基于光热光谱气体检测技术，设计了集油气分离和气体检测功能于一体的微型光纤光热传感探头，且气室体积仅为1 μL。将光纤法布里-珀罗（F-P）微腔作为气体吸收池和光学干涉仪，近红外激发光和探测光通过波分复用器（Wavelength Division Multiplexing， WDM）由单根光纤传输。其中，气体吸收产生的光热信号由光纤F-P干涉仪检测，并通过白光干涉相位解调方法读取信号。激发光经过掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier， EDFA）后输出功率达到410 mW，系统对C2H2气体体积分数的检测灵敏度为0.064 pm/（μL/L）。实验结果表明，所设计的光纤光热气体传感系统对油中溶解C2H2气体体积分数检出限达到0.7 μL/L。该传感系统具有气室体积小、抗电磁干扰、无需抽油和现场便于安装的优势，为变压器油中溶解C2H2气体的检测提供了技术支持。  
    关键词：光热光谱;光纤光热传感;溶解气体检测;微量气体检测   
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    更新时间：2026-08-14

    周月婷, 王孟圆, 翟保杰, 邱选兵, 李传亮

    DOI：10.37188/OPE.20263415.2280
    摘要：针对腔衰荡光谱（Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS）系统中激光器频率漂移、线宽过宽以及传统稳频技术难以兼顾快速单点测量与硬件成本等问题，建立了频率调制光谱中调制频率与相位选择的对应关系，并将其应用于激光稳频及腔衰荡光谱系统，实现了乙炔气体的单点快速测量。从理论上系统提示了频率调制光谱中吸收与色散相位误差信号随调制频率变化的演变规律，阐述了以300 MHz为临界点择优选择不同解调相位的物理特性，在300 MHz以下吸收信号占优，而在高频段则色散信号更具优势。实验搭建了基于FPGA的激光稳频系统，经验证误差信号峰峰值的演变规律与理论高度一致。通过优化气压与浓度等参数，利用 PID 控制器将激光频率精准锁定至乙炔吸收线中心，实现了频率稳定与线宽压窄。将稳频后的激光应用于腔衰荡光谱测量，实验结果表明：在9 MHz（吸收相位）与350 MHz（色散相位）调制频率下，经Allan方差分析系统的检测极限分别达到6.23×10-10/cm与2.51×10-10/cm，较未稳频的1.55×10-9/cm提升了近一个数量级，相应的最低探测浓度为5.09×10-12 mol/mol与1.26×10-11 mol/mol，同样较未稳频的1.55×10-11 mol/mol实现了近一个量级的性能提升。高频色散相位虽具有优越的性能，但相较于低频吸收相位，提升幅度有限；因此，实际应用中可综合衡量调制频率与硬件成本，以实现性能与成本的平衡，为环境监测与工业传感领域实现高精度、低成本的气体监测提供重要参考。  
    关键词：激光光谱;腔衰荡光谱;频率调制光谱;激光稳频;痕量气体检测   
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    更新时间：2026-08-14

    王立一, 李想, 曹乃亮, 邓昊, 胡海飞, 糜小涛, 阚瑞峰

    DOI：10.37188/OPE.20263415.2289
    摘要：针对低压、动态条件下微量水汽及其氢氧同位素检测中存在的弱吸收信号提取困难和谱线交叠问题，提出一种基于波长调制吸收光谱技术（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）的检测方法。利用中心波长1.863 μm的分布反馈式半导体激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）作为激光光源，构建了有效光程为12 m、吸收池容积为80 cm3的小型化检测装置，由单次扫描输出实现对H216O、H217O、H218O和HDO的同时探测。通过不同标准水样开展标定实验，建立弱同位素通道与参考通道拟合积分面积比和标准真值之间的对应关系，实现水汽氢氧同位素比率及其δ值的测量。实验结果表明，各同位素拟合积分面积与水汽压力之间均呈线性相关，相关系数R2均大于0.99；在340 Pa稳态条件下，δD，δ18O和δ17O通道的最优积分时间分别为18，23和20 s，对应最小Allan偏差分别为2.015‰，3.636‰和1.317‰；模拟月壤实验验证了该方法能够跟踪吸附分馏过程中的同位素动态变化，当前实验条件下的10%~90% 压力响应时间为71 s；与2.731 μm，25 m有效光程直接吸收方法对比，所得δD结果表现出一致的变化趋势。本文方法能够实现低压条件下水汽及其氢氧同位素的稳态定量测量和动态过程测量，可为低压、动态过程中的水汽及氢氧同位素小型化原位检测提供技术支撑。  
    关键词：低压水汽;氢氧同位素;波长调制光谱法;同位素反演   
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    更新时间：2026-08-14

    李玉涵, 胡佳屹, 姚路, 许振宇, 黄安, 阚瑞峰

    DOI：10.37188/OPE.20263415.2302
    摘要：针对传统可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， TDLAS）系统因复杂谱线拟合与数值反演算法导致处理速度难以满足发动机毫秒级瞬态燃烧测量需求的问题，提出并研制了一种基于对数放大的快速硬件光谱处理系统，并围绕系统总体方案设计、背景辐射自动扣除电路设计、对数放大电路设计、算法修正以及实时数据处理架构等方面展开研究。该系统在模拟前端引入自主设计的背景辐射自动扣除电路和基于LOG114芯片的对数比放大电路，直接输出与吸光度成正比的电压信号；数字部分采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array， FPGA）完成高速数据采集与吸光度积分累加，再由微控制器实现温度反演。实验结果表明，在100 kHz扫描频率下，系统可实现背景辐射稳定扣除，单次温度计算时间约为2.5 ms。该系统可实现毫秒级的高温流场快速测量，具备捕捉发动机瞬态燃烧变化的潜力。  
    关键词：TDLAS;燃烧场;高频响;对数比放大;背景辐射扣除;快速测量   
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    更新时间：2026-08-14
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