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激光器特性在痕量气体检测中的影响

张锐 赵学玒 赵迎 王喆 汪曣

激光器特性在痕量气体检测中的影响

张锐, 赵学玒, 赵迎, 王喆, 汪曣
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  • 研究了激光器扫描步长和线宽两种特性对可调谐半导体激光吸收光谱检测系统的影响,理论上推导出激光与气体吸收谱线的作用原理,分析出扫描信号(锯齿波)的台阶间隔和高度影响激光器中心波长的扫描原理. 设定了仿真参数,仿真出锯齿波台阶数与最大扫描误差关系曲线,得出扫描信号的一个周期内具有4000个台阶时,半高全宽(FWHM)大于0.01 cm-1,误差小于1‰;仿真出激光器线宽与最大幅值、线宽误差关系曲线,给出线宽误差最大为 1%,0.5% 时激光器线宽对应的最小FWHM. 在温度系数n 取0.9,大气展宽系数γair取0.005的条件下,给出温度T,压强P与FWHM关系图,推出了适用的压强与温度范围. 为指导选取激光器与气体吸收谱线、提高系统检测限提供了相关理论依据.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB327800)、天津市应用基础与前沿技术研究计划(批准号:14JCYBJC22800)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20090032110053)资助的课题.
    [1]

    Gustafsson J, Chekalin N, Axner O 2003 Spectrochim. Acta Part B 58 123

    [2]

    Zhang R, Zhao X H, Hu Y J, Guo Y, Wang Z, Zhao Y, Li Z X, Wang Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 070702 (in Chinese) [张锐, 赵学玒, 胡雅君, 郭媛, 王喆, 赵迎, 李子晓, 汪曣 2014 物理学报 63 070702]

    [3]

    Li J Y, Du Z H, Ma Y W, Xu K X 2013 Chin. Phys. B 22 034203

    [4]

    Zhang Y G, Gu Y, Zhang X J, Li A Z, Tian S B 2008 Chin. Phys. Lett. 25 3246

    [5]

    Okoshi T, Kikuchi K, Nakayama A 1980 Electron. Lett. 16 630

    [6]

    Richter L E, Mandelberg H I, Kruger M S 1986 IEEE J. Quantum Electron. 22 2070

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    Wu Z, Kin M C, Hong G 2008 Phys. Lett. A 372 4327

    [8]

    Iiyama K, Hayashi K, Ida Y, Tabata S, Sakai Y 1989 Electron. Lett. 25 1589

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    Liu J W, Li Z Y, Fan Q H, Gong Z Q, Zhang B Y 2012 J. Optoelectr. Laser 23 939 (in Chinese) [刘景旺, 李忠洋, 樊清海, 宫自强, 张博洋 2012 光电子·激光 23 939]

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    Jin X M, Bennet Y T, Shun L C 2009 Solid-State Electron. 53 95

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    McGettrick A J, Duffin K, Johnstone W, Stewart G, Moodie D G 2008 J. Lightwave Technol. 26 432

    [20]

    Johnstone W, McGettrick A J, Duffin K, Cheung A, Stewart G 2008 IEEE Sensors J. 8 1079

    [21]

    Werle P W, Mazzinghi P, D'Amato F, De Rosa M, Maurer K, Slemr F 2004 Spectrochim. Acta Part A 60 1685

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    Zhang R, Zhao X H, Hu Y J, Guo Y, Liu Y L, Wang Y 2013 Acta Opt. Sin. 33 0430006 (in Chinese) [张锐, 赵学玒, 胡雅君, 郭媛, 刘艳丽, 汪曣 2013 光学学报 33 0430006]

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    Xu Z Y, Liu W Q, Kan R F, Zhang Y J, Liu J G, Zhang S, Shu X W, Geng H, He Y, Tang Y Y 2010 Spectrosc. Spectral Anal. 30 2201 (in Chinese) [许振宇, 刘文清, 阚瑞峰, 张玉钧, 刘建国, 张帅, 束小文, 耿辉, 何莹, 汤媛媛 2010 光谱学与光谱分析 30 2201]

    [32]

    Li N, Yan J H, Wang F, Chi Y, Cen K F 2008 Spectrosc. Spectral Anal. 28 1708 (in Chinese) [李宁, 严建华, 王飞, 池涌, 岑可法 2008 光谱学与光谱分析 28 1708]

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    [14]

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    Li L, Arsad N, Stewart G, Thursby G, Culshaw B, Wang Y D 2011 Opt. Commun. 284 312

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    Duffin K, McGettrick A J, Johnstone W, Stewart G, Moodie D G 2007 J. Lightwave Technol. 25 3114

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    Johnstone W, McGettrick A J, Duffin K, Cheung A, Stewart G 2008 IEEE Sensors J. 8 1079

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    [27]

    Chao X, Jeffries J B, Hanson R K 2012 Appl. Phys. B 106 987

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    Zhang R, Zhao X H, Hu Y J, Guo Y, Liu Y L, Wang Y 2013 Acta Opt. Sin. 33 0430006 (in Chinese) [张锐, 赵学玒, 胡雅君, 郭媛, 刘艳丽, 汪曣 2013 光学学报 33 0430006]

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  • [1] 张亮, 刘建国, 阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 许振宇, 陈军. 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高速气流流速测量方法研究. 物理学报, 2012, 61(3): 034214. doi: 10.7498/aps.61.034214
    [2] 宋俊玲, 洪延姬, 王广宇, 潘虎. 基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究. 物理学报, 2012, 61(24): 240702. doi: 10.7498/aps.61.240702
    [3] 李政颖, 王洪海, 姜宁, 程松林, 赵磊, 余鑫. 光纤气体传感器解调方法的研究. 物理学报, 2009, 58(6): 3821-3826. doi: 10.7498/aps.58.3821
    [4] 陈玖英, 刘建国, 何亚柏, 王辽, 冮强, 许振宇, 姚路, 袁松, 阮俊, 何俊峰, 戴云海, 阚瑞峰. 2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究. 物理学报, 2013, 62(22): 224206. doi: 10.7498/aps.62.224206
    [5] 夏滑, 吴边, 张志荣, 庞涛, 董凤忠, 王煜. 近红外波段CO高灵敏检测的稳定性研究. 物理学报, 2013, 62(21): 214208. doi: 10.7498/aps.62.214208
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    [7] 耿辉, 刘建国, 张玉钧, 阚瑞峰, 许振宇, 姚路, 阮俊. 基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法. 物理学报, 2014, 63(4): 043301. doi: 10.7498/aps.63.043301
    [8] 张志荣, 吴边, 夏滑, 庞涛, 王高旋, 孙鹏帅, 董凤忠, 王煜. 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究. 物理学报, 2013, 62(23): 234204. doi: 10.7498/aps.62.234204
    [9] 陶蒙蒙, 陶波, 叶景峰, 沈炎龙, 黄珂, 叶锡生, 赵军. 可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用. 物理学报, 2020, 69(3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515
    [10] 许振宇, 刘文清, 刘建国, 何俊峰, 姚路, 阮俊, 陈玖英, 李晗, 袁松, 耿辉, 阚瑞峰. 基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究. 物理学报, 2012, 61(23): 234204. doi: 10.7498/aps.61.234204
    [11] 丁武文, 孙利群, 衣路英. 基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术. 物理学报, 2017, 66(10): 100702. doi: 10.7498/aps.66.100702
    [12] 管林强, 邓昊, 姚路, 聂伟, 许振宇, 李想, 臧益鹏, 胡迈, 范雪丽, 杨晨光, 阚瑞峰. 基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量. 物理学报, 2019, 68(8): 084204. doi: 10.7498/aps.68.20182140
    [13] 阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 刘建国, 董凤忠, 高山虎, 王 敏, 陈 军. 可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量. 物理学报, 2005, 54(4): 1927-1930. doi: 10.7498/aps.54.1927
    [14] 倪家升, 赵燕杰, 王昌, 彭刚定, 刘统玉, 常军, 孙志慧. 分布反馈式光纤激光器线宽特性及其展宽机理研究. 物理学报, 2012, 61(8): 084205. doi: 10.7498/aps.61.084205
    [15] 蓝丽娟, 丁艳军, 贾军伟, 杜艳君, 彭志敏. 可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究. 物理学报, 2014, 63(8): 083301. doi: 10.7498/aps.63.083301
    [16] 曹亚南, 王贵师, 谈图, 汪磊, 梅教旭, 蔡廷栋, 高晓明. 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的密闭玻璃容器中水汽浓度及压力的探测. 物理学报, 2016, 65(8): 084202. doi: 10.7498/aps.65.084202
    [17] 郭长志, 黄永箴. 近单模半导体激光器中模式间相互作用对光谱线宽的影响. 物理学报, 1990, 39(7): 59-65. doi: 10.7498/aps.39.59
    [18] 侯磊, 韩海年, 张龙, 张金伟, 李德华, 魏志义. 243 nm稳频窄线宽半导体激光器. 物理学报, 2015, 64(13): 134205. doi: 10.7498/aps.64.134205
    [19] 安颖, 杜振辉, 徐可欣. 超短时延测量DFB激光器的动态线宽. 物理学报, 2013, 62(17): 174208. doi: 10.7498/aps.62.174208
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-03-03
  • 修回日期:  2014-03-25
  • 刊出日期:  2014-07-20

激光器特性在痕量气体检测中的影响

  • 1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072;
  • 2. 天津科技大学电子信息与自动化学院, 天津 300222
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB327800)、天津市应用基础与前沿技术研究计划(批准号:14JCYBJC22800)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20090032110053)资助的课题.

摘要: 研究了激光器扫描步长和线宽两种特性对可调谐半导体激光吸收光谱检测系统的影响,理论上推导出激光与气体吸收谱线的作用原理,分析出扫描信号(锯齿波)的台阶间隔和高度影响激光器中心波长的扫描原理. 设定了仿真参数,仿真出锯齿波台阶数与最大扫描误差关系曲线,得出扫描信号的一个周期内具有4000个台阶时,半高全宽(FWHM)大于0.01 cm-1,误差小于1‰;仿真出激光器线宽与最大幅值、线宽误差关系曲线,给出线宽误差最大为 1%,0.5% 时激光器线宽对应的最小FWHM. 在温度系数n 取0.9,大气展宽系数γair取0.005的条件下,给出温度T,压强P与FWHM关系图,推出了适用的压强与温度范围. 为指导选取激光器与气体吸收谱线、提高系统检测限提供了相关理论依据.

English Abstract

参考文献 (32)

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