摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱技术及波长调制技术,采用波长为1 654nm的分布反馈激光器,结合开放式光学探头以及高灵敏度的铟镓砷光电探测器,研制了近红外甲烷气体检测系统。自主设计研发了分布反馈激光器驱动电路,主要包括模拟PID温度控制电路与电流驱动电路。其中,温度控制电路具有较高的控制精度及稳定性,长时间工作时激光器温度波动小于±0.02℃,温度与激光器波长呈线性变化。温度不变时,改变驱动电流可以使激光器中心波长线性变化,同时还提供了5kHz正弦波和10 Hz锯齿波的调制信号,用于谐波检测。为了提取差分信号的一次谐波及二次谐波,研制了正交锁相放大器,一次谐波和二次谐波的提取误差分别为3.5%和5%。系统中采用的开放式光电探头通过一次反射,使有效吸收光程增加了一倍,达到了40cm。通过对1%~5%的甲烷气体进行检测,成功提取了一次及二次谐波,得到了气体浓度与谐波信号幅值的拟合关系曲线。在更换不同输出波长的激光器后,该系统还具有检测其他气体的能力。

摘要：利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm^+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.

摘要：为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.

摘要：本文讨论了全内反射型光开关的交叉角２和光路的数值孔径ＮＡ．本文给出了设计光开关时的上限，并且讨论了当光路中有全内反射型光开关时，ＮＡ受到的影响问题。

摘要：为解决有机/无机杂化材料薄膜厚度较薄且难加工等问题,设计并制作了一种基于加载条形光波导结构的MZI(Mach-Zehnder Interferometer)型快速、低功耗热光开关器件。聚合物材料具有较低的热导率和较大的热光系数,能有效降低器件的功耗,以热导率相对较大的Si O2的衬底作为下包层,可有效加快器件响应时间。采用热光系数较大的有机/无机杂化材料DR1/Si O2-Ti O2作为波导芯层,以聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环氧丙酯的共聚物(P(MMA-GMA):Poly-Methyl-Methacrylate-Glycicly-Methacrylate)作为加载条波导,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA:Polymethyl Methacrylate)作为波导上包层,设计了热光开关器件。采用COMSOL软件模拟了器件的光场和热场分布,采用微加工工艺并结合光漂白技术进行了开关器件的制备。并在1 550 nm工作波长下测试开关器件的性能。可在缩短器件响应时间的同时降低器件的功耗,驱动功率为9.2 m W,消光比为21.2 d B,开关的上升、下降时间分别为152.8μs和180.0μs。