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基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化

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物理学报 2015年第13期64卷 48-54页

作者：尹旭坤郑华丹董磊武红鹏刘小利马维光张雷尹王保贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源,结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置,设计了一款高灵敏二氧化氮传感器.电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269,在标准大气压和1 s积分... 详细信息

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源,结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置,设计了一款高灵敏二氧化氮传感器.电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269,在标准大气压和1 s积分时间下,获得的探测灵敏度为4.5 ppb,对应的归一化噪声等效吸收系数(1σ)为2.2×10-8cm-1·W/Hz1/2.延长积分时间到46 s,灵敏度能够进一步下降到0.34 ppb.气体流速对该传感器的影响也被研究.

关键词：电学调制相消法石英增强光声光谱离轴石英增强光声光谱传感器高功率激光管

面向SF_(6)气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化

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物理学报 2021年第17期70卷 76-82页

作者：尹旭坤董磊武红鹏刘丽娴邵晓鹏西安电子科技大学西安市计算成像重点实验室西安710071 西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser,DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高... 详细信息

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser,DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计,在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84,相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证,差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍,且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后,在1 s的积分时间下,获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18×10^(-6),对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68×10^(-8) cm^(-1)·W·Hz^(-1/2).该传感器的灵敏度高,选择性好且噪声免疫能力强,可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.

关键词：光声光谱痕量气体传感器电气设备绝缘诊断

基于差分光声池结构的高灵敏度一氧化碳气体传感器(特邀)

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光子学报 2021年第10期50卷 156-162页

作者：尹旭坤高苗苗瑞琪苏永亮章学仕张乐刘丽娴邵晓鹏西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071

搭建了一套高灵敏度的光声一氧化碳气体传感器。采用波长为1566.3 nm的近红外分布式反馈激光器作为激励光源,并利用商用光纤放大器将激光功率泵浦到10 W量级,解决了由于近红外波长区域吸收线强较弱带来的探测灵敏度低等问题。设计了由... 详细信息

搭建了一套高灵敏度的光声一氧化碳气体传感器。采用波长为1566.3 nm的近红外分布式反馈激光器作为激励光源,并利用商用光纤放大器将激光功率泵浦到10 W量级,解决了由于近红外波长区域吸收线强较弱带来的探测灵敏度低等问题。设计了由两个结构完全相同的光声共振腔构成的双通道差分光声池,抑制了由高功率激光引入的窗口噪声。通过优化传感器的激励光功率和工作压强,在50 ppm的CO/N2标准气中,获得的光声信号幅值为1.38 mV,1σ噪声为0.96μV,探测信噪比为1437.5,探测灵敏度为34 ppb,归一化噪声等效系数为1.74×10-8cm-1W/Hz1/2。

关键词：光声光谱红外光谱声学谐振腔结构设计一氧化碳气体传感器

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基于光声光谱技术的多组分气体探测研究进展

数据采集与处理 2021年第5期36卷 850-871页

作者：邵晓鹏张乐刘丽娴尹旭坤章学仕苏永亮西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071 西安电子科技大学西安市计算成像重点实验室西安710071

多组分痕量气体检测在工业、军事、农业和医疗等领域均有着重要的研究和应用价值。高性能光声光谱技术因其灵敏度高、响应快、选择性高及非接触式实时连续测量等优点受到人们的青睐。本文首先对多组分气体监测需求和光声光谱技术的主要... 详细信息

多组分痕量气体检测在工业、军事、农业和医疗等领域均有着重要的研究和应用价值。高性能光声光谱技术因其灵敏度高、响应快、选择性高及非接触式实时连续测量等优点受到人们的青睐。本文首先对多组分气体监测需求和光声光谱技术的主要优势和基本原理进行阐述;然后从光源分类的角度出发,介绍了现有多组分气体测量技术的最新研究进展,概括光声光谱中常用的探测方式,包括多路复用技术和干涉型傅里叶变换红外光谱等,并对其具体的适用范围和优缺点进行了对比分析。同时,针对实际应用环境中气体传感系统主要存在的光谱干扰和吸附效应的问题,介绍了相应的解决方法。最后,对光声光谱多组分探测方法的未来发展方向进行了总结和展望。

关键词：光声光谱痕量气体检测多组分探测半导体激光波长调制

面向工业园区的多组分痕量气体光声光谱同时检测

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物理学报 2022年第17期71卷 158-165页

作者：刘丽娴陈柏松张乐章学仕宦惠庭尹旭坤邵晓鹏马欲飞 Mandelis Andreas 西安电子科技大学光电工程学院西安710071 多伦多大学机械与工业工程学院多伦多M5S 3G8 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨150001

工业园区有毒有害气体排放具有种类繁多、成分复杂、分布广泛等特点,建立多组分、高精度气体监测技术体系是污染防控的基础.黑体光谱辐射范围广,可有效地降低吸收谱线相互干扰可能性,是多组分气体同时检测的首选光源.但其单波长能量低... 详细信息

工业园区有毒有害气体排放具有种类繁多、成分复杂、分布广泛等特点,建立多组分、高精度气体监测技术体系是污染防控的基础.黑体光谱辐射范围广,可有效地降低吸收谱线相互干扰可能性,是多组分气体同时检测的首选光源.但其单波长能量低且稳定性欠佳导致难以实现高精度气体探测.鉴于此,本文提出光学增程和声学谐振双重增强模式联用,设计了一种可用于多组分气体同时高精度检测光声光谱传感器.应用两个相同T型增强光声池,构建了双光路增强型差分光学/光声检测模式,实验证明了差分光声模式具有更强的噪声抑制能力,可于同波段强吸收背景下提取出微弱痕量目标气体吸收信息,且双光路增强型信号较单光路模式提高了1.91倍.进行多组分气体同时检测性能研究,常温常压下CO_(2),C_(2)H_(2)和NH_(3)检测精度的体积分数分别为7.25×10^(-7),1.84×10^(-6)和1.43×10^(-6),比单光路光声模式提高了1个数量级.对体积分数为0-3×10^(-3)的三种气体样品进行测试,光声信号线性度高于0.995.广谱双光路T型增强差分光声光谱技术补偿了黑体广谱检测方法灵敏度低的缺陷,具有灵敏度高、选择性好、背景噪声抑制能力强的优势,可为建立工业园区多组分毒害气体的高精度监测技术提供支持,助力于我国“碳中和碳达峰”宏伟任务.

关键词：双光路差分增强光声光谱有毒有害气体多组分气体检测

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石英增强光声传感技术研究进展

中国激光 2018年第9期45卷 49-60页

作者：董磊武红鹏郑华丹尹旭坤马维光张雷尹王保肖连团贾锁堂山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室激光光谱研究所山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

主要回顾了近几年石英增强光声传感技术的最新研究进展,展望了未来几年该技术的发展趋势。从石英增强光声传感技术的基本原理开始,介绍了传统的石英增强光声传感器系统的搭建,围绕如何降低系统噪声和进一步提高探测灵敏度展开论述。阐... 详细信息

主要回顾了近几年石英增强光声传感技术的最新研究进展,展望了未来几年该技术的发展趋势。从石英增强光声传感技术的基本原理开始,介绍了传统的石英增强光声传感器系统的搭建,围绕如何降低系统噪声和进一步提高探测灵敏度展开论述。阐述了定制音叉式石英晶振的建模与设计,详细讨论了如何使用定制的音叉探索新型光谱测声器配置,使探测灵敏度提高两个数量级,并介绍了利用这些定制音叉的泛频振动模式实现减小声音共振腔长度的目的和双气体探测功能。最后讨论了该技术的进一步发展方向。

关键词：光谱学激光光谱石英增强光声光谱音叉式石英晶振痕量气体传感

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双光程光声光谱甲烷传感器

光谱学与光谱分析 2018年第2期38卷 616-620页

作者：杨艳芳裴凯龙尹旭坤武红鹏李尚志崔茹悦马维光张雷尹王保董磊贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学激光光谱研究所山西太原030006 极端光学协同创新中心山西太原030006

利用甲烷(CH_4)气体分子在1.6μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96cm^(-1)的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH_4气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置... 详细信息

利用甲烷(CH_4)气体分子在1.6μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96cm^(-1)的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH_4气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10^(-8 )cm^(-1)·W·Hz^(-1/2)。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。

关键词：甲烷检测光声光谱分布反馈式激光器气体传感器波长调制

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石英增强光声光谱技术研究进展

大气与环境光学学报 2015年第3期10卷 197-204页

作者：尹旭坤董磊马维光张雷尹王保贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006

石英增强光声光谱技术(QEPAS)在2002年由Kosterev首次提出,在短短十几年中,这种技术已经被应用在众多领域中,并取得了很多突破性进展。介绍了石英增强光声光谱传感器近期在技术改进及结构设计等方面的最新发展与动态,以期对相关领域的... 详细信息

石英增强光声光谱技术(QEPAS)在2002年由Kosterev首次提出,在短短十几年中,这种技术已经被应用在众多领域中,并取得了很多突破性进展。介绍了石英增强光声光谱传感器近期在技术改进及结构设计等方面的最新发展与动态,以期对相关领域的研究者提供参考。

关键词：石英增强光声光谱气体传感器音叉式石英晶振

双通道石英增强光声光谱测声器的设计及实验研究

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大气与环境光学学报 2016年第1期11卷 37-43页

作者：武红鹏董磊郑华丹刘研研刘小利尹旭坤马维光张雷尹王保贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006

设计了一款拥有双谐振腔的新型石英增强光声光谱测声器。通过开展多气体浓度的快速测量实验,研究了系统的灵敏度及可靠性。实验结果显示该种新颖的谐振腔结构并未引入新的噪声。双谐振腔的设计大大增强了石英音叉与谐振腔之间的声耦合强... 详细信息

设计了一款拥有双谐振腔的新型石英增强光声光谱测声器。通过开展多气体浓度的快速测量实验,研究了系统的灵敏度及可靠性。实验结果显示该种新颖的谐振腔结构并未引入新的噪声。双谐振腔的设计大大增强了石英音叉与谐振腔之间的声耦合强度,这一强耦合使传感器的响应时间下降至约5 ms,且上下两通道单独工作时的归一化噪声等效吸收系数分别达到7.8×10^(-9)cm^(-1)W/√Hz和8.1×10^(-9)cm^(-1)W/√Hz。另外,这一配置提供了两个相互独立的气体检测通道,为不同波长特别是波长间隔较大的两路激光光信号的相加或相消提供了一种可行性方案,也必将对多组分混合气体的快速在线检测的发展起到极大的推动作用。

关键词：石英音叉光声光谱双微型谐振腔响应时间气体传感器