激光光谱技术
激光光谱是以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光光谱主要有吸收光谱、拉曼光谱和高分辨激光光谱等。
主题关键词： 激光光谱光谱技术光学测量
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球载CRDS高灵敏度甲烷测量系统的研制
摘要：为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布，本文采用腔衰荡光谱技术（CRDS）设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统，该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法，通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法，使得浓度计算结果得到明显提升。然后，分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号，采集的衰荡信号信噪比达62 dB，并在实验室使用标准气体进行了标定试验，标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9，测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后，系统进行了实际试验，在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体，进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。关键词：光谱学;腔衰荡光谱技术;痕量气体;实时测量712|935|10<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-09-28近海大尺度区域二氧化碳的激光在线探测技术
摘要：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。关键词：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926|868|11<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-13通过标气校验和支持向量机提高光谱保真度的应用
摘要：鉴于光谱分析仪在使用过程中会发生谱图微缓形变，造成光谱保真度下降，本文提出一种结合标气定期校验和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的方法。在校验时，比较相同标准气体的当前光谱和出厂标定时的光谱，利用LS-SVM算法计算谱图形变，并根据形变分析结果进行复原。由于形变具有长期累积性和不可控性，所以用激光器驱动电流的可控性变化引起的谱图变化模拟形变。采用TDLAS技术实验，检测烯烃裂解炉清焦过程中的CO和CO2，使用20 m光程的Herriot气室和中心波长为1 580 nm的DFB激光器。共采集了50组不同形变程度的光谱，根据LS-SVM算法的形变分析结果，利用插值法还原谱图。对比了该方法与不复原以及传统寻峰复原方法的气体浓度分析精度，发现当分析仪存在复杂形变时，利用LS-SVM算法和插值法复原的方法比传统的寻峰方法精度提高2~3倍。实验结果验证了LS-SVM算法的谱图形变分析能力以及插值法复原的有效性。关键词：激光光谱;谱图保真;最小二乘支持向量机;标气校验;谱图复原443|281|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13种子呼吸CO2浓度检测系统设计
摘要：针对传统种子呼吸CO2浓度检测方法中检测精度低的问题，为了满足种子呼吸CO2气体浓度测量需要，提出一种采用TDLAS技术的种子呼吸测量系统方案。首先，该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成，其中设计的种子呼吸容器其空间体积为1.5L，激光器光源采用2004nm波段，多次反射池光程为16米。然后，利用波长调制吸收光谱技术，基于朗伯比尔定律，利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO2气体的浓度。对系统测试结果显示：该种子呼吸测量系统稳定重复性为0.033%，CO2浓度的线性拟合度为0.99938，CO2浓度检测极限为1.7ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测，获得20g玉米种子呼吸的变化曲线，其12小时内变化量为2750.5ppm,呼吸速率为229.2ppm/时,实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO2浓度连续性测量、浓度检测精度低等问题。关键词：二氧化碳;可调谐二极管激光器吸收光谱技术;多次反射池;种子呼吸112|223|6<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-13种子呼吸CO2浓度检测系统
摘要：针对传统种子呼吸CO2浓度检测方法中检测精度低的问题，为了满足测量需要，提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成，设计种子呼吸容器其空间体积为1.5 L，激光器光源采用2 004 nm波段，多次反射池光程为16 m。然后，基于朗伯比尔定律，通过波长调制吸收光谱技术，利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO2气体的浓度。测试结果显示：种子呼吸CO2浓度测量的稳定重复性为0.033%，CO2浓度的线性拟合度为0.999 38，CO2浓度检测极限为1.7 ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测，获得20 g玉米种子呼吸的变化曲线，其12 h内变化量为2 750.5 ppm，呼吸速率为229.2 ppm/h，实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。关键词：二氧化碳;可调谐二极管激光器吸收光谱技术;多次反射池;种子呼吸496|13|9更新时间：2020-08-13飞秒细丝-纳秒激光诱导击穿光谱技术对土壤重金属Pb元素检测
摘要：采用飞秒激光成丝-纳秒脉冲激光诱导击穿光谱技术(Filament-ns DP-LIBS)对土壤中重金属铅元素进行了定量分析。利用飞秒激光等离子体丝烧蚀含铅土壤样品，向外喷射低密度的土壤粒子源，经脉冲间隔Δt后，纳秒脉冲激光再烧蚀低密度土壤粒子，实现等离子体发射光谱强度增强，谱线宽度压缩，降低土壤中重金属铅元素的最小检测限。实验结果表明，相比飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术(FIBS)，在飞秒-纳秒脉冲间隔Δt=10 μs条件时，PbI405.78 nm光谱增强因子为9.66，谱线宽度从3.66×10-10m压缩至2.74×10-10m, 提高了LIBS光谱分辨率。FIBS和Filament-ns DP-LIBS条件下定标曲线的线性相关系数R2分别为0.982和0.994。FIBS条件下的RSD和LOD值分别为7.37%和65.86 mg/kg，Filament-ns DP-LIBS条件下的RSD和LOD值分别为3.27%和24.39 mg/kg。研究结果表明，Filament-ns DP-LIBS技术可以降低土壤重金属的最小检测限，提高LIBS的检测灵敏度。关键词：飞秒激光成丝-纳秒脉冲激光诱导击穿光谱技术;光谱分辨率;土壤重金属污染;Pb元素519|375|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用
摘要：烯烃工业生产过程中的多组分在线检测是对其工业过程有效控制、提高处理装置综合效益的重要手段。本文以在线检测烯烃裂解炉的清焦过程生成的一氧化碳和二氧化碳为应用案例，采用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）作为分析平台进行多组分分析。针对清焦过程，设计了检测0~5%量程CO和CO2的模拟实验。对气体含量随机分布的19组数据分别采用多变量最小二乘算法（CLS）、单组分偏最小二乘算法（PLS1）和多组分偏最小二乘算法（PLS2）进行建模和评估。在后续的多组分交叉干扰实验和CO2的扩展量程准确性测试实验中，PLS1模型的最大误差小于±0.05%，PLS2的小于±0.10%，CLS的小于±0.20%。因此，TDLAS技术结合PLS1算法在实现化工过程中的多组分在线检测时具有先进性。关键词：烯烃生产;裂解炉清焦;调制吸收光谱技术;多组分分析;多元回归分析;偏最小二乘法553|450|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-133.53 μm激光外差太阳光谱测量系统
摘要：激光外差技术具有高光谱分辨率特性，常用于地球大气探测研究，尤其是测量整层大气透过率及气体浓度反演。本论文设计了以窄线宽3.53 μm分布反馈式带间级联激光器作为本振光源的激光外差系统，实现了整层大气中水汽和甲烷气体吸收光谱的测量，系统光谱分辨率达到0.002 cm-1，信噪比为24.9 dB，达到多普勒线型吸收谱线的测量要求。利用自行搭建的测量系统测量了3.53 μm波段整层大气透过率，与辐射传输软件仿真分析结果进行对比，其绝对差值小于0.1，实测透过率与仿真透过率具有相同的变化趋势。该系统结合最小二乘法实现了实际大气中水汽和甲烷的同步反演，合肥地区春季水汽和甲烷的柱浓度均值分别为1.20 g/cm2和1.31 mg/cm2。通过对3.53 μm激光外差太阳光谱测量系统的研究，掌握了调提高光谱分辨率和信噪比的方法，为获取大气分子更加准确的吸收谱线和气体浓度反演奠定了基础。关键词：激光外差;光谱分辨率;信噪比;气体柱浓度483|525|10<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统
摘要：为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计，结合锑化镓（GaSb）ICL和紧凑型多反射气体吸收气室（MPC）研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W，并通过探测甲烷（CH4）和甲醛（CH2O）分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明：CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0 nL/L和3.0 nL/L，测量精度分别为1.4 nL/L和1.0 nL/L。此外，相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷（C2H6）同步检测，通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66 h的监测试验，验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作，基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。关键词：激光传感器;半导体激光器;量子级联;光谱;红外581|419|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13可调谐二极管激光吸收光谱技术测量低温流场水汽露点温度
摘要：露点温度是表征气体状态的一个重要参数，针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要，提出了可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度，验证波长为1 381 nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度，然后结合一套开放式的测量装置，进行低温度环境（最低温度100 K）水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值，其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好（相差小于1 K），TDLAS测量的时间分辨率为0.83 s，远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量，获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度，同时得到了随着环境温度降低，水汽逐渐趋向饱和的结论。关键词：可调谐二极管激光吸收光谱技术;露点温度;饱和蒸汽压;水汽655|584|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13
