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基于光学反馈腔增强的气体拉曼光谱检测技术的研究

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基于光学反馈腔增强的气体拉曼光谱检测技术的研究

作者：张志杭山西大学

学位级别：硕士

气体检测是环境保护的重要组成部分,服务于当下迅速发展的各行各业中,但传统的气体检测技术普遍存在灵敏度低、干扰严重、结构复杂等问题,严重阻碍了其发展。随着上世纪激光器的出现,人们发现激光技术与气体检测的结合,可提升对气体的... 详细信息

气体检测是环境保护的重要组成部分,服务于当下迅速发展的各行各业中,但传统的气体检测技术普遍存在灵敏度低、干扰严重、结构复杂等问题,严重阻碍了其发展。随着上世纪激光器的出现,人们发现激光技术与气体检测的结合,可提升对气体的检测性能,有利于气体检测在多领域的应用。本文将激光技术中的光学反馈腔增强技术与拉曼光谱技术相结合,开展气体拉曼检测技术的研究。论文主要由以下四部分组成:一:拉曼光谱原理以及激光拉曼增强原理。从光子与物质分子的微观碰撞机制出发,结合分子受激后能级跃迁的往返过程,研究不同类型碰撞中散射光子的特性。分析基于不同原理的气体检测技术的优缺点。研究基于激光拉曼光谱技术的气体检测基本原理,确定高功率激光是得到气体拉曼散射信号的关键因素。分析光学谐振腔内多光束相长干涉的作用原理,并了解常见谐振腔的基本结构。二:V型三镜腔基本理论与光学反馈分析。结合激光传输矩阵理论以及电磁理论,推导谐振腔的稳定谐振条件,并对腔透射光强、腔内光强进行推导。为避免直接反射光对激光器的影响,本文选用V型三镜腔作为气体池,结合光的注入锁定原理分析光学反馈的具体过程以及光学反馈对激光器的影响,理论推导V型三镜腔的光学反馈模型,了解光学反馈实现锁频的基本原理,结合Matlab程序模拟以及实验结果分析反馈率和反馈相位的影响。三:基于光学反馈腔增强的V型三镜腔气体拉曼光谱检测装置的搭建。本文选用可见光半导体激光器为作为装置的基础光源,装置处于恒温、隔震、无光的环境中,对激光器输出光进行扫描、调制、准直、整形,使用刀口法测量光束质量,完成输出光到腔的耦合。结合波长调制法实现光学反馈注入锁定,腔内激光功率显著增强,为后续气体拉曼光谱信号的收集提供充分准备。四:侧向收集光路的搭建与拉曼光谱信号分析。在腔的侧面搭建拉曼光谱信号收集光路,使用凹面镜提高收集效率,通过计算机软件设置光谱仪与CCD相机参数,检测装置采集到N、O、CO、CO、H、CH、CH、CH、CH以及混合气体的拉曼光谱信号,确定各气体的拉曼频移并计算出检测限。

关键词：拉曼光谱光学反馈腔增强光学反馈注入锁定拉曼频移

腔增强拉曼光谱法无损测定地浸溶液中的碳酸氢根和碳酸根

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化学分析计量 2023年第7期32卷 60-64页

作者：陈士恒黄蔷薇杜志明丁海云龚明明核工业北京化工冶金研究院北京101101

利用腔增强型拉曼光谱仪两个抛物面反射镜和两个直角反射镜组合成多反射增强腔,实现了激光在检测池中心点的多次照射,提高了激光的使用效率及拉曼光谱效应,改善了拉曼光谱方法的灵敏度,并建立了地浸溶液中无损、免试剂、快速、同时测定H... 详细信息

利用腔增强型拉曼光谱仪两个抛物面反射镜和两个直角反射镜组合成多反射增强腔,实现了激光在检测池中心点的多次照射,提高了激光的使用效率及拉曼光谱效应,改善了拉曼光谱方法的灵敏度,并建立了地浸溶液中无损、免试剂、快速、同时测定HCO_(3)^(-)、CO_(3)^(2-)含量的方法,该方法对HCO_(3)^(-)、CO_(3)^(2-)的检出限分别为30、17 mg/L;HCO_(3)^(-)、CO_(3)^(2-)的线性范围分别为50~5000、28.3~2830 mg/L,相关系数分别为0.9999、0.9997。对HCO_(3)^(-)测量结果的相对标准偏差不大于1.8%(n=6),分析时长小于4 min。腔增强拉曼光谱法检测碳酸氢根和碳酸根加标样品时具有更好的准确性,其相对误差绝对值不大于3%,而常规滴定法则大于8%。腔增强拉曼光谱法无需配制任何试剂即可实现地浸溶液中HCO_(3)^(-)、CO_(3)^(2-)的快速检测,在CO_(2)+O_(2)原地浸出工艺中HCO_(3)^(-)、CO_(3)^(2-)的自动在线监测方面具有良好的应用前景。

关键词：腔增强拉曼光谱碳酸氢根碳酸根地浸溶液

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腔增强二极管激光关联光谱技术研究

腔增强二极管激光关联光谱技术研究

作者：武东城哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

全球环境的日益恶化，严重影响了人类社会的可持续发展，世界各个国家积极采取办法应对，不仅要遏制污染源的排放，更要加强对于污染气体的检测工作。检测污染气体的方法主要包括化学方法和光学方法。由于化学方法的测量范围小，反应慢... 详细信息

全球环境的日益恶化，严重影响了人类社会的可持续发展，世界各个国家积极采取办法应对，不仅要遏制污染源的排放，更要加强对于污染气体的检测工作。检测污染气体的方法主要包括化学方法和光学方法。由于化学方法的测量范围小，反应慢，不能直接深入检测污染气体等缺点，越来越多的国家和企业采用光学检测办法。为了提高测量精度，降低检测成本，提高系统稳定性，我们将采用腔增强技术和关联光谱技术相结合的办法，利用廉价的多模半导体激光器作为光源，开创一种新的检测技术。本文通过对空气中氧气的检测验证了这种新技术的可行性，并且从理论上给予了证明。本文首先介绍了腔增强二极管激光关联光谱技术的基本原理，并且给出了具体的检测气体浓度的表达式，分析了可延长倍数以及最小可探测灵敏度。考虑了在空气中气体检测的线型展宽问题，以及各种线型展宽对应的具体表达式，为后期处理吸收信号以及相应的理论模拟提供了理论指导。通过实验光路的搭建与设备参数的调节，选择最佳的实验参数进行实验数据的采集。采用正轴和离轴两种检测方案，对于如何消除干涉进行了多种办法的尝试。由于空气中氧气浓度比较大，会出现吸收饱和等现象，所以在测量过程中，通过控制腔长，保证测量的准确性，并且利用吸收信号与腔长的线性关系，推得腔长为40cm时的直接吸收信号最小可探测灵敏度为188ppm，而采用波长调制技术可以使我们的最小可探测灵敏度达到22ppm。本文还对于实验数据的处理采用不同的方法，验证哪种办法更加贴合理论数据。通过对无吸收基线光强信号的采集与处理，开发了基于无吸收信号与吸收线型相结合的基线拟合办法;通过比较不同吸收峰的直接吸收信号的面积比与峰值比，得到面积比更加适用于较强吸收与噪声较大的情况，而峰值比则在吸收较低的时候更加贴合理论。最后，我们研究了在理论条件下，通过给出相同的初始光强和给定实验上的合理参数，来验证实验数据的准确性。利用已有的HITRAN数据库的信息通过理论模拟来判定实验中所测吸收谱线的归属。并且经过进一步验证得出模拟信号与实验信号误差的来源，并给出了合理的解释。

关键词：半导体激光器腔增强吸收光谱关联光谱波长调制光谱

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基于腔增强的磁光旋转铯原子磁强计

量子光学学报 2021年第3期27卷 192-199页

作者：赵俊祥左冠华李静张玉驰张鹏飞张天才山西大学光电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 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006 山西大学物理电子工程学院山西太原030006

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角,大大增强了原子磁强计的灵敏度.我们基于磁光旋转的铯原子磁强计,在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系,得到在一定原子气室损耗条件下获得最优... 详细信息

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角,大大增强了原子磁强计的灵敏度.我们基于磁光旋转的铯原子磁强计,在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系,得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率.利用平凹驻波腔,在特定的腔镜反射率,原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%,对应的腔逃逸效率为38%和41%,腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1;在保持光与原子相互作用强度的情况下,随着原子气室对光场损耗的降低,磁场灵敏度进一步增强,腔增强效果更显著.

关键词：铯原子磁强计腔增强偏转角逃逸效率

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运用宽带腔增强技术测量NO_2的研究

科学技术与工程 2015年第22期35卷 220-223页

作者：李璐北京大学环境科学与工程学院北京100000

运用宽带腔增强技术对NO2开展测量,采用中心波长为460 nm的高功率的蓝光LED作为光源,测量了在455~465nm波段范围内的NO2的光学吸收。利用氮气和氦气之间的瑞利闪射截面差异较大的原理,对腔镜的反射率进行标定,在455~465 nm波段的镜片反... 详细信息

运用宽带腔增强技术对NO2开展测量,采用中心波长为460 nm的高功率的蓝光LED作为光源,测量了在455~465nm波段范围内的NO2的光学吸收。利用氮气和氦气之间的瑞利闪射截面差异较大的原理,对腔镜的反射率进行标定,在455~465 nm波段的镜片反射率都在99.99%以上,在455.2 nm点的最高反射率达到99.990 8%。在腔镜之间的有效腔长为92cm,积分时间为30 s的条件下,测量了含NO2气体光学吸收的光谱。采用DOASIS软件进行了浓度反演,反演的得到的NO2的浓度为（21.25±1.7）ppb,不确定性在8%左右,标准曲线结果为y=1.001x＋0.271,证明该方法测量NO2比较可靠。

关键词：腔增强测量 NO2

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光反馈腔增强吸收光谱优化技术研究

光反馈腔增强吸收光谱优化技术研究

作者：徐赞然国防科技大学

学位级别：硕士

腔增强吸收光谱技术是基于腔衰荡光谱技术而衍生出的一种新兴的高灵敏吸收光谱技术,其在气态物质定性和定量检测领域有着广泛应用,应用领域涉及生物医学、环境监测、工业检测等。相对于腔衰荡光谱技术,腔增强吸收光谱技术具有系统结构... 详细信息

腔增强吸收光谱技术是基于腔衰荡光谱技术而衍生出的一种新兴的高灵敏吸收光谱技术,其在气态物质定性和定量检测领域有着广泛应用,应用领域涉及生物医学、环境监测、工业检测等。相对于腔衰荡光谱技术,腔增强吸收光谱技术具有系统结构简单、测量速度快等等系列优点,是近些年光谱学界研究的前沿和热点,尤其是在医学无损检测领域,有着很好的应用前景。本文针对前期在光反馈腔增强吸收光谱技术研究中发现的一些问题,研究改善该类光谱技术性能的方式方法,以期进一步提升系统性能。本文具体工作包括:（1）探索基于光反馈技术的自注入锁定方案,建立起其理论模型,并进行了初步实验,并就实验结果进行了分析和讨论;（2）通过改变折叠腔的光学特性（三镜片损耗大小及位置分布）,优化反馈信号强度的同时减少折叠腔的损耗,由此进一步改善光反馈腔衰荡光谱系统性能,实验表明这种方式可将光反馈腔增强吸收光谱系统等噪声测量灵敏度从原来的1.8×10-8 cm-1提高至9.6×10-9 cm-1,由此可实现对吸收强度为10-21cm-1/（molecule·cm-2）的气体ppb量级浓度检测;（3）基于波分复用原理,利用光路切换方式,将两种不同波长激光周期性耦合进行系统,以此提高系统光谱响应性能（光谱范围和响应时间）,扩大系统测量气体种类。本文所做的工作对于光反馈腔增强吸收光谱技术的应用具有重要意义,可望在今后的人类呼吸气体诊断中得到应用。

关键词：光反馈腔增强自注入锁定呼吸气体检测

基于腔增强的磁光旋转铯原子磁强计的实验研究

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基于腔增强的磁光旋转铯原子磁强计的实验研究

作者：赵俊祥山西大学

学位级别：硕士

测磁技术在材料检测、生物医学、矿产勘测、军事科研等领域有重要的研究意义。随着磁强计应用领域不断延伸,小型化、集成化是当今磁强计的发展趋势。偏转角?ψ以及信噪比(SNR)是决定是测磁系统灵敏特性的重要因素。在各项参数不发生改... 详细信息

测磁技术在材料检测、生物医学、矿产勘测、军事科研等领域有重要的研究意义。随着磁强计应用领域不断延伸,小型化、集成化是当今磁强计的发展趋势。偏转角?ψ以及信噪比(SNR)是决定是测磁系统灵敏特性的重要因素。在各项参数不发生改变的情况下,多反射腔能够增强泵浦光光功率以及增加光与原子相互作用有效长度,达到增强灵敏度的目的。多反射腔有多种类型,谐振腔能够让光束保持在两腔镜间多次反射的过程中不会因像散、折射等因素引起光束质量下降,继而成为提升磁强计测磁能力的更佳选择。本文围绕在原子气室对光强损耗一定的情况下,谐振腔对磁场灵敏度的增强倍数与腔镜参数的关系完成了以下具体工作:1)介绍磁测量的发展简介,多反射腔的磁强计系统现状以及对比反射腔的不同类型的利弊。2)通过理论计算表明,腔增强因子同时受腔镜反射率及腔逃逸率的共同影响,通过图像模拟分析,设计并选择了适合本实验方案的腔镜反射率以及腔型结构。3)基于结构紧凑、系统简洁的磁光旋转铯原子磁强计,采用平凹驻波腔,其输入、输出耦合镜R、R反射率分别为99.5%以及88%,当原子气室对光强的损耗分别为9.5%和8.5%时,对应的腔逃逸效率为38.1%和40.7%,腔对磁场灵敏度的测量分别增强了4.4和5.1倍;在保证光与原子相互作用强度的情况下,随着原子气室对光强损耗的降低,磁场灵敏度进一步提高,谐振腔增强效果更显著。本文为之后利用谐振腔提高光与原子相互作用强度实验的腔镜选择提供一定的理论参考与有效方案。

关键词：磁强计腔增强偏转角逃逸效率

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噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术综述

中国激光 2018年第9期45卷 89-99页

作者：马维光周月婷赵刚贾梦源刘建鑫郭松杰董磊张雷尹王保肖连团 Axner Ove 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 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006 Department of Physics Umea UniversityUmea SwedenSE-90187

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光... 详细信息

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光源、腔的精细度等关键参数,及其对探测灵敏度的影响,最后提出限制NICE-OHMS技术探测灵敏度的主要因素及其解决方案。

关键词：光谱学频率调制腔增强痕量气体检测探测灵敏度

冷原子系综中DLCZ写过程腔增强的实验研究

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冷原子系综中DLCZ写过程腔增强的实验研究

作者：袁亮山西大学

学位级别：硕士

上世纪80年代,随着量子理论与方案的不断完善,量子信息做为一个新兴的研究领域得到了人们的关注。量子通讯作为量子信息最重要最核心的部分,其最吸引人们的特性在于可以实现物理层面的信息安全传输,而这种安全基于一种奇特的量子态---... 详细信息

上世纪80年代,随着量子理论与方案的不断完善,量子信息做为一个新兴的研究领域得到了人们的关注。量子通讯作为量子信息最重要最核心的部分,其最吸引人们的特性在于可以实现物理层面的信息安全传输,而这种安全基于一种奇特的量子态---光量子纠缠态。量子存储是实现长距离量子通讯、构建光量子网络的关键技术,它要求能够对光量子态进行长时间的存储和高效的相干读出。目前,人们已经利用许多物理过程如电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency(EIT))、自发Raman散射(SRS)、梯度回波技术、原子频率梳(AFC)以及远失谐Raman相互作用等实现了量子存储过程。其中SRS是一种量子存储的有效方法。由于冷原子系综具备的集体增强效应,以及相比于热原子具有更长的相干时间等优点,迅速成为了量子存储以及量子通讯的核心载体。自2001年,段路明等人提出了利用原子系综中自发拉曼散射过程构建光与原子纠缠界面的Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)方案后,各种基于DLCZ量子记忆的量子中继方案被相继提出,并部分已经在实验上被演示,基于原子的量子信息领域得到了长足的发展。近些年来,由于拉曼过程的低成功率难以满足实用化发展,人们开始探索如何提高纠缠光子的产生率,如时间倍增、空间倍增等方案,这些方案都成功的实现了光与原子纠缠产率的倍增。2010年,C.Simon等人理论上提出了可以通过利用Stokes光子与光学腔共振的方式来提高纠缠光子对的产生几率。2020年Lukas Heller等人通过将原子置于光学腔内部首次实现了这一方案,实验实现了纠缠光子对产率的增加。此后腔与DLCZ结合的方案受到广泛关注。本文在Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程产生了光与原子纠缠。利用光学腔来增强光与原子相互作用,使DLCZ写过程中Stokes光子的产生率提高了8.7倍。开展了时间多模光与原子纠缠源的制备,利用Field-Programmable Gate Array(FPGA)的反馈控制系统实现了18倍倍增的时间多模存储。主要完成的工作包括以下几个部分。(1)DLCZ写过程腔增强实验研究。在单模DLCZ实验的基础上,原子系综被放置在一个与斯托克斯光子共振的驻波腔中用来增强Stokes光子与原子的耦合强度,实验观测到,斯托克斯光子的产生几率是无腔时的8.7倍,与理论很好的拟合。本工作为提高光与原子纠缠的产生提供了实验基础。(2)时间多模光与原子纠缠源的制备。将一系列写光脉冲在不同的时间以不同的小角度作用于原子系综。我们获得了19个光子-自旋波模式对。结合FPGA反馈控制系统对Stokes光子相关联的自旋波模式进行读出。通过该方案,我们获得了时间多模光与原子纠缠界面,纠缠光子对的产生几率是单模实验的18倍以上,测得纠缠源的寿命为30μs,Bell参数为2.30±0.02,保真度为85.9%。该工作为量子中继中提高纠缠分发的速率提供了可行方式。

关键词： Duan-Lukin-Cirac-Zoller方案光子-自旋波纠缠腔增强时间多模存储 Field-Programmable Gate Array反馈控制