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真空紫外光电离质谱及其在大气化学中的应用研究

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质谱学报 2023年第2期44卷 181-196页

作者：温作赢顾学军林晓晓张为俊唐小锋中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

大气环境污染成因复杂,往往涉及一系列复杂的化学反应过程,且包含众多的挥发性有机物气体分子、自由基和气溶胶颗粒物等,在线检测是大气化学领域的难点和热点问题。真空紫外光电离质谱技术使分子吸收单个光子能量后,在其电离能阈值附近... 详细信息

大气环境污染成因复杂,往往涉及一系列复杂的化学反应过程,且包含众多的挥发性有机物气体分子、自由基和气溶胶颗粒物等,在线检测是大气化学领域的难点和热点问题。真空紫外光电离质谱技术使分子吸收单个光子能量后,在其电离能阈值附近“软”电离,可以获得分子离子质量信息,具有质谱图简洁、碎片离子少和易于解析等特点,能够从分子层面上在线测量大气化学反应过程中关键的化学成分,揭示复杂的大气化学反应机理,在大气化学领域具有较好的应用前景。本文介绍了基于真空紫外激光、同步辐射光源、自由电子激光和真空紫外放电灯等多种光源的真空紫外光电离质谱技术,阐述了近年来该技术在大气挥发性有机物、自由基以及气溶胶颗粒物化学成分检测方面的进展,并展望真空紫外光电离质谱技术的发展方向。

关键词：真空紫外光(VUV) 光电离质谱(PIMS) 大气化学自由基气溶胶

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成像光谱仪的发展与应用(特邀)

红外与激光工程 2022年第1期51卷 290-300页

作者：于磊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据... 详细信息

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。

关键词：成像光谱仪滤光型色散型干涉型快照型

“双碳”目标下大气环境光学监测技术发展机遇

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光学学报 2022年第6期42卷 2-17页

作者：刘文清中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

大气环境污染不仅影响气候变化,还严重威胁人类的生命健康。在“双碳”背景下,温室气体减排和大气污染治理具有显著的协同性,二者同根同源,都涉及大气成分的变化。大气环境问题的解决依赖于环境监测技术的发展。光学监测技术以其强扩展... 详细信息

大气环境污染不仅影响气候变化,还严重威胁人类的生命健康。在“双碳”背景下,温室气体减排和大气污染治理具有显著的协同性,二者同根同源,都涉及大气成分的变化。大气环境问题的解决依赖于环境监测技术的发展。光学监测技术以其强扩展性和非接触、高灵敏、探测目标广的技术特点,在大气环境立体监测领域优势明显,且成为环境监测技术发展的主导方向。目前研究人员已基于卫星平台、地基平台和移动平台发展出了差分吸收光谱技术、激光雷达技术、光腔衰荡光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、可调谐半导体激光吸收光谱技术和气体扩张激光诱导荧光技术等一系列成熟的大气环境光学监测技术。此外,大气环境多平台天空地一体化立体监测技术在减污降碳中发挥了重要作用。推动监测设备的国产化及通过学科交叉融合促进监测技术走向立体化、自动化和智能化应用成为未来大气环境光学的主要发展方向。

关键词：光谱学立体监测减污降碳天空地一体化

2.94μm LiNbO_(3)声光调Q Er:YAG激光输出脉冲特性

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物理学报 2024年第4期73卷 186-191页

作者：王滔宁姜玲玲程庭清王礼江海河中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所合肥230031

2.94μm纳秒铒激光是宽调谐中红外激光和临床医疗研究中重要的固体激光源.本文研制了新型LiNbO_(3)声光调Q Er:YAG激光器,研究了20 Hz重复频率下不同调Q延迟时间和耦合腔镜反射率对激光输出脉冲特性的影响规律.根据测量激光器的热透镜... 详细信息

2.94μm纳秒铒激光是宽调谐中红外激光和临床医疗研究中重要的固体激光源.本文研制了新型LiNbO_(3)声光调Q Er:YAG激光器,研究了20 Hz重复频率下不同调Q延迟时间和耦合腔镜反射率对激光输出脉冲特性的影响规律.根据测量激光器的热透镜焦距设计了凹凸谐振腔补偿热透镜效应,获得了激光单脉冲能量为34.68 mJ、脉冲宽度为119.9 ns的调Q输出,相应的峰值功率为289.24 kW,与平平腔相比输出能量提高了2.09倍.据我们所知,这是目前声光调Q Er:YAG激光器中获得的最高能量,可为进一步研究宽调谐中红外激光技术提供新的手段.

关键词：固体激光器 Er:YAG LiNbO_(3)声光调Q开关

全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

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光谱学与光谱分析 2021年第2期41卷 354-359页

作者：王晶晶谈图王贵师朱公栋薛正跃李竣刘笑海高晓明中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜... 详细信息

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.0044 cm^-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N,117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6056.2~6058.1 cm^-1)和(6035.6~6036.5 cm^-1)分别获取了CH 4和CO 2分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH 4分子和CO 2分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。

关键词：激光外差整层大气透过率谱信噪比

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究

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光学技术 2005年第2期31卷 279-281,285页

作者：王敏张玉钧刘文清刘建国王铁栋涂兴华高山虎阚瑞锋中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了... 详细信息

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系。通过研究不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线,分析了它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和功率调制参数,从而使二次谐波曲线的稳定性和形状达到最佳。

关键词： TDLAS 调制锁相二次谐波

干涉型红外光谱辐射计仪器线型函数仿真及校正

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物理学报 2021年第14期70卷 97-104页

作者：孙永丰徐亮沈先春王钰豪徐寒杨刘文清中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026

针对大口径干涉型红外光谱辐射计,分析了不平行于主光轴的入射光,对理想仪器线型函数的影响.本文系统介绍了对仪器线型函数产生影响的截断效应、有限视场效应、离轴效应和离焦效应,并通过HITRAN数据库对理想的水汽吸收光谱进行仿真,建... 详细信息

针对大口径干涉型红外光谱辐射计,分析了不平行于主光轴的入射光,对理想仪器线型函数的影响.本文系统介绍了对仪器线型函数产生影响的截断效应、有限视场效应、离轴效应和离焦效应,并通过HITRAN数据库对理想的水汽吸收光谱进行仿真,建立了仪器线型函数误差与光谱畸变的定量关系.根据仿真结果,提出了因子权重校正算法.利用水汽吸收的仿真数据对因子权重校正算法进行验证,光谱漂移从0.51 cm^(-1)降低到0.01 cm^(-1)以下.通过自研干涉型红外光谱辐射计对标准黑体的观测实验,验证因子权重校正算法的准确性,实测数据的光谱漂移从0.226 cm^(-1)降低到0.012 cm^(-1),校正后的光谱数据更为准确.

关键词：遥感干涉型红外光谱辐射计仪器线型函数因子权重法

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

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光谱学与光谱分析 2017年第9期37卷 2673-2678页

作者：查申龙刘锟朱公栋谈图汪磊王贵师梅教旭高晓明中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230031

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激... 详细信息

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3μL·L^(-1)。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。

关键词：光声光谱小波去噪气体探测灵敏度

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应用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪

光谱学与光谱分析 2017年第11期37卷 3626-3631页

作者：曹亚南王睿王贵师朱公栋谈图王晶晶刘锟汪磊梅教旭高晓明中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230031

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪,为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式,具有精度高、全时空特点。测量了该太阳跟踪仪的... 详细信息

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪,为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式,具有精度高、全时空特点。测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度,X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°,能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来,测量了3.5μm附近的太阳光谱,得到了CH4在整层大气中的吸收情况,为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。

关键词：太阳跟踪系统激光外差辐射计柱浓度垂直廓线