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可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用

董凤忠 , 阚瑞峰 , 刘文清 , 刘建国 , 张玉钧 , 高山虎 , 王铁栋 , 王敏 , 陈东 , 魏庆农

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2005.03.002

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析.在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度,一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等,同时和长光程吸收池相结合使用,并辅之以各种噪声压缩技术.TDLAS不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测.报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低(ppb量级)、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖1.3～1.8 μm或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖1.3～1.8μm,则可同时实现对大气中诸多重要痕量气体如CO2、CH4、CO、CH2O、H2S、NH3、HCI、C2H2等的同步监测.

关键词: 光谱学 , 可调谐二极管激光 , 怀特池 , 甲烷 , 大气质量监测

基于气体相关滤波技术的非分散红外CO气体监测系统的研究

司福祺 , 刘建国 , 刘文清 , 王亚萍 , 张玉钧 , 黄书华 , 方武 , 汪世美

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2004.04.006

介绍了一种有效的测量CO气体浓度的方法-基于气体相关滤波技术(GFC)的非分散红外法(NDIR),以及该方法在实际测量中的应用.根据该方法设计出新型CO监测仪,实验表明,设计的基于GFC技术的非分散红外CO监测系统在0～200 ppm的测量范围内有10 ppb的监测精度.

关键词: 光谱 , 气体相关滤波 , 非分散红外 , CO

基于可调谐二极管激光吸收光谱学对二次谐波检测噪声分析研究

涂兴华 , 刘文清 , 王铁栋 , 王晓梅 , 王敏 , 张玉钧 , 刘建国 , 董凤忠

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2006.04.017

在可调谐红外激光器的基础上发展的新的痕量气体监测分析方法,已在大气化学研究和污染气体监测领域中得到了应用.在无法通过增加光程长度来提高系统检测灵敏度的环境中,降低噪声、提高信噪比,是提高TDLAS二次谐波检测技术系统检测灵敏度的途径之一.介绍了TDLAS的噪声来源并对短吸收光程下的CO和CO2的近红外波段二次谐波进行了测量研究和噪声分析.获得CO和CO2的最小检测灵敏度分别为0.73%和0.98%.这一结果能够满足某些对于测量要求不是很高的情况下的环境监测的需要.

关键词: 光谱学 , 可调谐二极管激光吸收光谱学 , 二次谐波检测 , 噪声 , 背景噪声

可调谐半导体激光吸收光谱学测量甲烷的研究

高山虎 , 刘文清 , 刘建国 , 张玉钧 , 阚瑞峰 , 王敏 , 涂兴华 , 王铁栋

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2006.03.023

甲烷是天然气和矿井瓦斯等多种气体燃料的主要成分,由于其易燃易爆的特性,瓦斯爆炸一直困扰着天然气站和煤矿的安全生产.可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术是近年来发展起来的一种新型的气体检测方法.它具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应快速等突出特点.波长调制光谱(WMS)技术是TDLAS技术中一种重要技术.利用WMS技术检测在大气压下、浓度从0.04%至10%的甲烷气体的二次谐波(2f)信号,并证明了在该浓度范围内2f信号幅值正比于甲烷的浓度,为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法,并为集成甲烷监测仪器提供了理论及实验的依据.

关键词: 光谱学 , 可调谐半导体激光光谱 , 波长调制光谱 , 二次谐波检测

激光测高系统中基于GP1的飞行时间测量

赵欣 , 戚俊 , 涂碧海 , 陈结祥 , 张毅 , 李季 , 刘建国 , 赵平建

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2007.01.019

激光测高仪是测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离,因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标.采用了一种专用的时间数字转换芯片设计了时间间隔测量模块,它采用延时线技术,测量频率快,时间分辨率高,受外界环境干扰小,完全适合激光测高的要求.在给出软硬件实现方法的同时,也给出了测量结果.

关键词: 光电子学 , 激光测高 , 时间间隔测量 , 延时线

外腔调谐激光泵浦的差频中红外宽调谐激光光谱系统

陈东 , 刘文清 , 张玉钧 , 刘建国 , 崔小娟 , 阚瑞峰 , 王敏 , 夏慧 , 崔益本

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2008.01.002

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要的应用价值,非线性差频方法是获得室温工作的中红外相干光源的有效途径,是对传统激光光源的重要补充.报道了一种基于差频方法的室温工作宽调谐中红外激光光谱系统,使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1μW,对CH4基频吸收谱线的光谱检测表明,系统能够满足在中红外光谱区对气体成分进行高分辨、高灵敏、快速吸收检测的需要.

关键词: 光谱学 , 中红外 , 差频 , 准相位匹配 , 外腔调谐半导体激光器

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH4柱浓度遥测研究

程巳阳 , 高闽光 , 徐亮 , 金岭 , 李胜 , 童晶晶 , 刘建国 , 刘文清

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2014.01.003

介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测.从太阳吸收光谱中测量了整层大气透过率,采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率,基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2％.将本系统测量的2012年9月25日12:00～15:00 CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较,两者偏差小于1％.可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度.

关键词: 大气光学 , 甲烷 , 柱浓度 , 遥测 , 红外吸收光谱技术

用于药品无损分析的近红外光谱检测系统光学设计

胡荣 , 徐亮 , 李相贤 , 李胜 , 金岭 , 叶树彬 , 刘建国 , 刘文清

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2017.03.002

为实现药品的无损快检,设计了基于傅里叶变换红外光谱检测的光学系统,系统工作波段为4000～12000 cm-1.设计合适的光学结构并确定光学元件的特征参数,用Zemax对设计的光学系统进行光线追迹和优化分析.搭建实验平台,采集了5种相似药品的近红外光谱数据,用主成分分析法(PCA)结合误差反向传播人工神经网络算法(BPANN)对数据进行处理,有效区分了5种药品的光谱,识别准确率达到93.333％.实验结果表明:该近红外光谱检测系统适用于药品的无损分析,能有效鉴别相似药品.

关键词: 光谱学 , 近红外光谱 , 药品分析 , 光学设计 , 傅里叶变换

聚对苯二胺和炭黑复合物作为高效的氧还原催化剂及其稳定性研究

苏小钢 , 姚颖方 , 田娟 , 刘建国 , 汪忠伟 , 尤勇 , 黄林 , 吴聪萍

催化学报 doi:10.1016/S1872-2067(15)61063-4

近年来,氮掺杂的碳材料作为碱性氧还原催化剂得到了研究者的广泛关注.掺杂的 N原子会影响 C原子的自旋密度和电荷分布,导致碳材料表面产生“活性位点”,因此掺氮碳材料具有优秀的氧还原活性,这已经在理论计算和实验中得到了验证.我们通过调节聚对苯二胺和碳黑的比例,之后进行热解制备了一系列掺氮碳材料.其中0.88PpPD/CB样品具有最好的氧还原活性,其在 KOH溶液(0.1 mol/L)中的氧还原性能超过了商业碳载铂.通过扫描电子显微镜表征,发现碳球聚集在聚对苯二胺的表面,这主要是因为聚对苯二胺没有进行酸掺杂,因此其水溶性比较差.通过氮气的吸脱附表征,发现聚对苯二胺的比表面积很小,而碳黑样品(BP2000)的比表面积很大.因此,随着聚对苯二胺量的增加,聚对苯二胺/碳黑复合物的比表面积逐渐降低.另外,聚对苯二胺表面几乎都是微孔,而介孔和大孔主要来自于碳黑.研究者认为,“活性位点”主要位于微孔内(聚对苯二胺表面),而介孔和大孔有利于物质的传输.因此,当聚对苯二胺和碳黑的比例合适时,既有大量的“活性位点”暴露,又有足够的介孔和大孔进行物质传输,所以0.88PpPD/CB样品的氧还原活性最高.
　　但是,对于掺氮碳材料来说,一个主要的问题就是稳定性不足.不管是电化学稳定性,还是放置在空气中的稳定性,掺氮碳材料都比不上铂基催化剂,这也阻碍了它们的大规模应用.对于电化学稳定性,很多文章都进行了报道,但是很少有文章报道掺氮碳材料在空气中的稳定性.我们知道,铂基材料之所以具有优异的氧还原活性,是因为铂和氧气的结合能比较合适,既利于氧气吸附,也利于之后氧气分子键的断裂.但是,当铂基材料放置在空气中,氧气的吸附也会发生,而且之后会导致表面氧化层的形成.所以铂基材料需要活化才能达到最好的催化性能.对于掺氮碳材料,放置在空气中会不会发生氧化反应？这对氧还原活性是否有影响？为了研究掺氮碳材料在空气中的稳定性,我们将0.88PpPD/CB样品在空气中放置了一个月,之后再进行电化学测试.旋转圆盘电极测试表明,在空气中放置了一个月后,0.88PpPD/CB样品的氧还原活性降低了,不管是半波电位还是极限电流密度都下降了.之后我们对其进行了 X射线光电子能谱检测,发现在空气中放置了一个月后其氧含量提高了1%(原子分数),而氮含量几乎没有变化.氧含量的提高证实了氧化反应的发生,但不能直接归结于空气中的氧气.为了排除其他因素,如水蒸气、二氧化碳等,当热处理完成,管式炉温度低于100°C时,我们将高纯氮气切换为高纯氧气,一个小时后再取出样品.电化学测试表明,在氧气中暴露了一个小时后,0.88PpPD/CB样品的氧还原活性极大地降低了,而且 X射线光电子能谱表明其氧含量提高了一倍,接近12%.因此,我们证实了氧气会和0.88PpPD/CB样品反应,导致样品的氧还原活性降低.所以,对于未来掺氮碳材料的大规模应用,要考虑其在空气中的稳定性,以及如何避免和氧气接触.

关键词: 苯二胺 , 炭黑 , 复合结构 , 氧气还原反应 , 稳定性