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2μm波段高灵敏度离轴积分腔装置实际大气CO2测量

李志彬 马宏亮 曹振松 孙明国 黄印博 朱文越 刘强

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2μm波段高灵敏度离轴积分腔装置实际大气CO2测量

李志彬, 马宏亮, 曹振松, 孙明国, 黄印博, 朱文越, 刘强

High-sensitive off-axis integrated cavity output spectroscopy and its measurement of ambient CO2 at 2 μm

Li Zhi-Bin, Ma Hong-Liang, Cao Zhen-Song, Sun Ming-Guo, Huang Yin-Bo, Zhu Wen-Yue, Liu Qiang
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  • 利用分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源, 搭建了一套2 μm波段的离轴积分腔输出光谱装置. 利用高纯甲烷气体, 测量了腔镜反射率随腔内气体压力 变化的规律. 当腔内压力为3.59 kPa 时, 标定的镜面反射率为0.99865, 在此条件下, 基长55 cm 的离轴积分腔实现了407.4 m的吸收光程. 选取CO2 在4993.7431 cm-1处的吸收谱线对实际大气中的CO2浓度进行了测量, 探测限为0.53 ppmv (1σ), 利用小波去噪对光谱信号进行了去噪处理, 信噪比提高了80%, 探测限提高到0.29 ppmv(1σ). 利用搭建的装置在实验室内测量了从上午9时到中午12时实际大气中CO2的浓度, 并与H2O/CO2分析仪进行了同时观测与对比分析, 初步验证了测量装置的可靠性.
    An off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS) is established by using a fiber-coupled distributed feedback diode laser operating near 2 μm. Its performances are evaluated and optimized through experimental investigation via detecting the pure CH4 absorptions at different pressures. The reflectivity of the cavity mirror is measured to be 0.99865, which results in the effective total optical pathlength of up to 407.4 m based on a 55 cm cavity. It is shown that the OA-ICOS configuration can be used to obtain very long optical pathlength, leading to pretty high sensitive monitoring of atmospheric trace gases. Based on the developed OA-ICOS, the atmospheric CO2 measurements are made and its performance is improved by using the wavelet denoising approach. The CO2 absorption line at 4993.7431 cm-1 is used for measuring the concentration. The measured results are compared with the results obtaind by a commercial H2O/CO2 analyzer. Agreement and disagreement are briefly discussed, and the results show that the OA-ICOS is reliable for detecting the atmospheric trace gases. The limitation of the developed OA-ICOS and the further steps towards the improvement in precision and accuracy are also presented.
      通信作者: 曹振松, zscao@aiofm.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(批准号: 41205021) 资助的课题.
      Corresponding author: Cao Zhen-Song, zscao@aiofm.ac.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41205021)
    [1]

    Paul J B, Lapson L An derson J G 2001 Appl. Opt. 40 4904

    [2]

    Arévalo-Martínez D L, Beyer M, Krumbholz M, Piller I, Kock A, Steinhoff T, Körtzinger A, Bange H W 2013 Ocean Sci. 9 1071

    [3]

    Glzow W, Rehder G, Schneider B, Deimling J S V, Sadkowiak B 2011 Limnol. Oceanogr. Meth. 9 176

    [4]

    Arslanov D D, Cristescu S M, Harren F J M 2010 Opt. Lett. 35 3300

    [5]

    Berman E S F, Fortson S L, Snaith S P, Gupta M, Baer D S, Chery I, Blanc S, Melanson E L, Thomson P J, Speakman J R 2012 Anal. Chem. 84 9768

    [6]

    Lee L, Park H, Kim T S, Ko K H, Jeong D Y 2012 Nucl. Instrum. Meth. A 678 8

    [7]

    Duan J, Qin M, Fang W, Ling L Y, Hu R Z, Lu X, Shen L L,Wang D, Xie P H, Liu J G, Liu W Q 2015 Acta Phys. Sin. 64 180701 (in Chinese) [段俊, 秦敏, 方武, 凌六一, 胡仁志, 卢雪, 沈兰兰, 王丹, 谢品华, 刘建国, 刘文清 2015 64 180701]

    [8]

    Ling L Y, Xie P H, Lin P P, Huang Y R, Qin M, Duan J, Hu R Z, Wu F C 2015 Acta Phys. Sin. 64 130705 (in Chinese) [凌六一, 谢品华, 林攀攀, 黄友锐, 秦敏, 段俊, 胡仁志, 吴丰成 2015 64 130705]

    [9]

    Pei S X, Gao X M, Cui F P, Huang W, Shao J, Fan H, Zhang W J 2005 Spectrosc Spect. Anal. 25 1908 (in Chinese) [裴世鑫, 高晓明, 崔芬萍, 黄伟, 邵杰, 樊宏, 张为俊 2005 光谱学与光谱分析 25 1908]

    [10]

    Zhao W X, Gao X M Zhang W J, Huang T 2006 Acta Optica Sin. 26 1260 (in Chinese) [赵卫雄, 高晓明, 张为俊, 黄腾 2006 光学学报 26 1260]

    [11]

    Jia H Guo X Y Cai T D, Zhao W X, Wang L, Tan T, Zhang W J, Gao X M 2009 Spectrosc Spect. Anal. 29 3173 (in Chinese) [贾慧, 郭晓勇, 蔡廷栋, 赵卫雄, 汪磊, 谈图, 张为俊, 高晓明 2009 光谱学与光谱分析 29 3173]

    [12]

    Dong M L, Zhao W X, Cheng Y, Hu C J, Gu X J, Zhang W J 2012 Acta Phys. Sin. 61 060702 (in Chinese) [董美丽, 赵卫雄, 程越, 胡长进, 顾学军, 张为俊 2012 61 060702]

    [13]

    Dong Y, Wang G L, Wang H P, Ni H Q, Chen J H, Gao F Q, Qiao Z T 2014 Chin. Phys. B 23 104209

    [14]

    Wu Z W, Dong Y T, Zhou W D 2014 Spectrosc Spect. Anal. 34 2081 (in Chinese) [吴志伟, 董燕婷, 周卫东 2014 光谱学与光谱分析 34 2081]

    [15]

    Chen X, Sui Q M, Miao F, Jia L, Cao Y Q 2012 Opt. Precision Eng. 20 9 (in Chinese) [陈霄, 隋青美, 苗飞, 贾磊, 曹玉强 2012 光学精密工程 20 9]

    [16]

    Tan Z Q, Long X W 2010 Opt. Commun 283 1406

    [17]

    Fiedler S E, Hese A, Ruth A A 2003 Chem. Phys. Lett. 371 284

    [18]

    Bakhirkin Y A, Kosterev A A, Curl R F, Tittel F K, Yarekha D A, Hvozdara L, Giovannini M, Faist J 2006 Appl. Phys. B 82 149

    [19]

    Wang L, Song G X 1999 J. Xidian Univ. 26 358 (in Chinese) [王玲, 宋国乡 1999 西安电子科技大学学报 26 358]

  • [1]

    Paul J B, Lapson L An derson J G 2001 Appl. Opt. 40 4904

    [2]

    Arévalo-Martínez D L, Beyer M, Krumbholz M, Piller I, Kock A, Steinhoff T, Körtzinger A, Bange H W 2013 Ocean Sci. 9 1071

    [3]

    Glzow W, Rehder G, Schneider B, Deimling J S V, Sadkowiak B 2011 Limnol. Oceanogr. Meth. 9 176

    [4]

    Arslanov D D, Cristescu S M, Harren F J M 2010 Opt. Lett. 35 3300

    [5]

    Berman E S F, Fortson S L, Snaith S P, Gupta M, Baer D S, Chery I, Blanc S, Melanson E L, Thomson P J, Speakman J R 2012 Anal. Chem. 84 9768

    [6]

    Lee L, Park H, Kim T S, Ko K H, Jeong D Y 2012 Nucl. Instrum. Meth. A 678 8

    [7]

    Duan J, Qin M, Fang W, Ling L Y, Hu R Z, Lu X, Shen L L,Wang D, Xie P H, Liu J G, Liu W Q 2015 Acta Phys. Sin. 64 180701 (in Chinese) [段俊, 秦敏, 方武, 凌六一, 胡仁志, 卢雪, 沈兰兰, 王丹, 谢品华, 刘建国, 刘文清 2015 64 180701]

    [8]

    Ling L Y, Xie P H, Lin P P, Huang Y R, Qin M, Duan J, Hu R Z, Wu F C 2015 Acta Phys. Sin. 64 130705 (in Chinese) [凌六一, 谢品华, 林攀攀, 黄友锐, 秦敏, 段俊, 胡仁志, 吴丰成 2015 64 130705]

    [9]

    Pei S X, Gao X M, Cui F P, Huang W, Shao J, Fan H, Zhang W J 2005 Spectrosc Spect. Anal. 25 1908 (in Chinese) [裴世鑫, 高晓明, 崔芬萍, 黄伟, 邵杰, 樊宏, 张为俊 2005 光谱学与光谱分析 25 1908]

    [10]

    Zhao W X, Gao X M Zhang W J, Huang T 2006 Acta Optica Sin. 26 1260 (in Chinese) [赵卫雄, 高晓明, 张为俊, 黄腾 2006 光学学报 26 1260]

    [11]

    Jia H Guo X Y Cai T D, Zhao W X, Wang L, Tan T, Zhang W J, Gao X M 2009 Spectrosc Spect. Anal. 29 3173 (in Chinese) [贾慧, 郭晓勇, 蔡廷栋, 赵卫雄, 汪磊, 谈图, 张为俊, 高晓明 2009 光谱学与光谱分析 29 3173]

    [12]

    Dong M L, Zhao W X, Cheng Y, Hu C J, Gu X J, Zhang W J 2012 Acta Phys. Sin. 61 060702 (in Chinese) [董美丽, 赵卫雄, 程越, 胡长进, 顾学军, 张为俊 2012 61 060702]

    [13]

    Dong Y, Wang G L, Wang H P, Ni H Q, Chen J H, Gao F Q, Qiao Z T 2014 Chin. Phys. B 23 104209

    [14]

    Wu Z W, Dong Y T, Zhou W D 2014 Spectrosc Spect. Anal. 34 2081 (in Chinese) [吴志伟, 董燕婷, 周卫东 2014 光谱学与光谱分析 34 2081]

    [15]

    Chen X, Sui Q M, Miao F, Jia L, Cao Y Q 2012 Opt. Precision Eng. 20 9 (in Chinese) [陈霄, 隋青美, 苗飞, 贾磊, 曹玉强 2012 光学精密工程 20 9]

    [16]

    Tan Z Q, Long X W 2010 Opt. Commun 283 1406

    [17]

    Fiedler S E, Hese A, Ruth A A 2003 Chem. Phys. Lett. 371 284

    [18]

    Bakhirkin Y A, Kosterev A A, Curl R F, Tittel F K, Yarekha D A, Hvozdara L, Giovannini M, Faist J 2006 Appl. Phys. B 82 149

    [19]

    Wang L, Song G X 1999 J. Xidian Univ. 26 358 (in Chinese) [王玲, 宋国乡 1999 西安电子科技大学学报 26 358]

  • [1] 熊枫, 彭志敏, 王振, 丁艳军, 吕俊复, 杜艳君. CO2/CO干扰下基于腔衰荡吸收光谱的痕量H2S浓度测量.  , 2023, 72(4): 043302. doi: 10.7498/aps.72.20221851
    [2] 李静和, 何展翔, 杨俊, 孟淑君, 李文杰, 廖小倩. 曲波域统计量自适应阈值探地雷达数据去噪技术.  , 2019, 68(9): 090501. doi: 10.7498/aps.68.20182061
    [3] 周子昕, 黄印博, 卢兴吉, 袁子豪, 曹振松. 2 μm波段再入射离轴积分腔输出光谱设计与实验.  , 2019, 68(12): 129201. doi: 10.7498/aps.68.20190061
    [4] 王倩, 毕研盟, 杨忠东. 气溶胶对大气CO2短波红外遥感探测影响的模拟分析.  , 2018, 67(3): 039202. doi: 10.7498/aps.67.20171993
    [5] 刘柏年, 皇群博, 张卫民, 任开军, 曹小群, 赵军. 集合背景误差方差中小波阈值去噪方法研究及试验.  , 2017, 66(2): 020505. doi: 10.7498/aps.66.020505
    [6] 邵君宜, 林兆祥, 刘林美, 龚威. 1.572 μm附近CO2吸收光谱的测量.  , 2017, 66(10): 104206. doi: 10.7498/aps.66.104206
    [7] 牛明生, 王贵师. 基于可调谐二极管激光技术利用小波去噪在2.008 μm波段对δ13CO2的研究(已撤稿).  , 2017, 66(2): 024202. doi: 10.7498/aps.66.024202
    [8] 韩舸, 龚威, 马昕, 相成志, 梁艾琳, 郑玉新. 地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达.  , 2015, 64(24): 244206. doi: 10.7498/aps.64.244206
    [9] 马昕, 龚威, 马盈盈, 傅东伟, 韩舸, 相成志. 基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究.  , 2015, 64(15): 154215. doi: 10.7498/aps.64.154215
    [10] 朱湘飞, 林兆祥, 刘林美, 邵君宜, 龚威. 温度压强对CO2吸收光谱的影响.  , 2014, 63(17): 174203. doi: 10.7498/aps.63.174203
    [11] 刘豪, 舒嵘, 洪光烈, 郑龙, 葛烨, 胡以华. 连续波差分吸收激光雷达测量大气CO2.  , 2014, 63(10): 104214. doi: 10.7498/aps.63.104214
    [12] 祝金川, 李成仁, 齐笳羽, 任旭东, 岳喜爽. CO2激光器对相位共轭波时空混沌系统控制和同步的研究.  , 2011, 60(10): 104213. doi: 10.7498/aps.60.104213
    [13] 蒙大桥, 罗文华, 李赣, 陈虎翅. Pu(100)表面吸附CO2的密度泛函研究.  , 2009, 58(12): 8224-8229. doi: 10.7498/aps.58.8224
    [14] 洪光烈, 张寅超, 赵曰峰, 邵石生, 谭 锟, 胡欢陵. 探测大气中CO2的Raman激光雷达.  , 2006, 55(2): 983-987. doi: 10.7498/aps.55.983
    [15] 程 成. 优化封离型CO2激光工作气体的动力学机理研究.  , 2003, 52(12): 3068-3074. doi: 10.7498/aps.52.3068
    [16] 唐晓军, 赵宗海, 辛建国. 射频激励相移阵列谐振腔波导CO2激光器输出特性研究.  , 1999, 48(7): 1236-1247. doi: 10.7498/aps.48.1236
    [17] 余玮, 徐至展. CO2激光打靶中的高次谐波发射.  , 1987, 36(2): 224-229. doi: 10.7498/aps.36.224
    [18] 夏生杰, 王春奎, 傅裕寿, 吴宝根, 方慧英, 周光地. 强CO2激光照射靶面的现象.  , 1982, 31(3): 397-403. doi: 10.7498/aps.31.397
    [19] 高智, 林烈, 孙文超. 横流放电CO2激光的理论分析.  , 1979, 28(6): 807-823. doi: 10.7498/aps.28.807
    [20] 傅恩生, 王裕民, 程兆谷, 窦爱荣. 10.6μm的CO2激光的电光频移.  , 1979, 28(5): 24-31. doi: 10.7498/aps.28.24
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-11
  • 修回日期:  2015-12-15
  • 刊出日期:  2016-03-05

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