基于怀特池的多光程高精度痕量气体检测系统研究

doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2026.04.010

量子电子学报 ›› 2026, Vol. 43 ›› Issue (4): 612-622.doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2026.04.010

基于怀特池的多光程高精度痕量气体检测系统研究

陈威 1,2, 徐亮 2*, 徐睆垚 1,2, 花谷彪 1,2, 徐寒扬 2, 徐家求 3, 潘帅 3

1 中国科学技术大学, 安徽合肥 230026; 2 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, 中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽合肥 230031; 3 合肥中科红外精密仪器有限公司, 安徽合肥 230022

收稿日期:2023-10-07 修回日期:2023-11-01 出版日期:2026-07-28 发布日期:2026-07-27
通讯作者: E-mail: xuliang@aiofm.ac.cn E-mail:E-mail: xuliang@aiofm.ac.cn
作者简介:陈威 ( 1997 - ), 安徽铜陵人, 研究生, 主要从事傅里叶变换红外光谱仪系统应用方面的研究。 E-mail: 1976288313@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金 (52027804), 安徽省重点研究与开发计划 (2022m07020009), 中国科学院合肥研究院院长基金(YZJJ202209-TS)

Research on a multiple‐optical‐pathlength and high‐precision trace gas detection system based on White cell

CHEN Wei 1,2 , XU Liang 2* , XU Huanyao 1,2 , HUA Gubiao 1,2 , XU Hanyang2 , XU Jiaqiu3 , PAN Shuai 3

1 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2 Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, HFIPS, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China; 3 Hefei Zhongke Infrared Precision Instrument Co., Ltd., Hefei 230022, China

Received:2023-10-07 Revised:2023-11-01 Published:2026-07-28 Online:2026-07-27
Supported by:

摘要/Abstract

摘要： 针对传统傅里叶变换红外光谱系统存在光程固定和通用性差等问题, 本文通过在怀特池上采用双角镜反射光路设计, 搭建了一种新型多光程高精度痕量气体检测系统。系统怀特池大镜上可呈现6行光斑, 每行光斑的数量可从2到9自由调节, 从而实现了怀特池8种不同的反射光路, 并相应产生8种不同的吸收光程, 分别为48、72、96、120、144、168、192 和 216 m。基于该系统的初步实验研究表明, CO 和 N2O 的测量精度分别为 4.08 nmol/mol 和1.44 nmol/mol, 表明该系统能够实现高精度的气体浓度检测。

关键词: 光谱学, 多光程, 双角镜, 傅里叶变换红外光谱仪, 怀特池

Abstract: In response to the challenges of fixed optical path-length and limited flexibility in traditional Fourier transform infrared spectroscopy systems, a novel high-precision trace gas detection system with multiple optical pathlengths was developed in this work by utilizing a dual-corner mirror design within a White cell. The large mirror of the system can display six rows of light spots, with the number of spots in each row adjustable from 2 to 9. This flexibility enables the White cell to achieve eight different optical path reflections, resulting in eight distinct absorption path lengths of 48, 72, 96, 120, 144, 168, 192, and 216 m. Preliminary experimental research based on this system showed that, the measurement precision for CO and N2O was estimated to be 4.08 nmol/mol and 1.44 nmol/mol, respectively, demonstrating the system's capability of achieving high-precision gas concentration measurements.

Key words: spectroscopy, multiple optical pathlengths, dual-corner mirror, Fourier transform infrared spectrometer, White cell

中图分类号:

TN219

陈威, 徐亮, 徐睆垚, 花谷彪, 徐寒扬, 徐家求, 潘帅 . 基于怀特池的多光程高精度痕量气体检测系统研究[J]. 量子电子学报, 2026, 43(4): 612-622.

CHEN Wei , , XU Liang , XU Huanyao , , HUA Gubiao , , XU Hanyang , XU Jiaqiu , PAN Shuai . Research on a multiple‐optical‐pathlength and high‐precision trace gas detection system based on White cell[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2026, 43(4): 612-622.

参考文献

[1]Zhang M S, Ju W, Cheng Z Y, Ren H D.FTIR spectral wavenumber optimization for ethylene based on IRIV-SA[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2023, 40(3):383-391
[2]张梦思, 鞠薇, 程志友, 任慧东.基于 - 的乙烯光谱波数优选[J].量子电子学报, 2023, 40(3):383-391
[3]Chen Y Z, Hu R, Xu L, et al.Study on Anti-vibration Performance of Vehicle-Mounted Potable FTIR System[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(1):7-14
[4]陈育泽, 胡荣, 徐亮等.车载便携式系统抗振性能研究[J].量子电子学报, 2020, 37(01):9-14
[5]Hu K, Xu L, Yang W F, et al.Optical design of solar spectrum ground-based tracking remote sensing system[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2021, 38(3):290-300
[6]胡凯, 徐亮, 杨伟锋等.太阳光谱地基跟踪遥感系统光学设计[J].量子电子学报, 2021, 38(03):290-300
[7]Jiang T, Tong J J, Gao M G, et al.Weak Interference Signal Detection Circuit Design Based on Fourier Transform Infrared Spectrometer[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2019, 36(6):677-683
[8]江婷, 童晶晶, 高闽光等.傅里叶变换红外光谱仪微弱干涉信号检测电路设计[J].量子电子学报, 2019, 36(06):677-683
[9]Yahya OM, Mohammed SJ, Sheat AM.Synthesis and Characterization of some Substituted Octa-hedroquinazoline using Ultrasound Technique[J].Egyptian Journal of Chemistry, 2022, 65(12):73-78
[10]Abdel-Maksoud G, Ghozy H, Ezzat R, et al.Evaluation of the efficiency of sodium alginate for the consolidation of archeological bones[J].Egyptian Journal of Chemistry, 2023, 66(2):357-366
[11]Kim MJ, Istianah N, So BR, et al.Preparation of High-Solid Microfibrillated Cellulose from Gelidium amansii and Characterization of Its Physiochemical and Biological Properties[J].Journal of Microbiology and Biotechnology, 2022, 32(12):1589-1598
[12]Hu R, Xu L, Li X X, et al.Optical design of near-infrared spectroscopy detection system for drug nondestructive analysis[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2017, 34(3):264-271
[13]胡荣, 徐亮, 李相贤, 等.用于药品无损分析的近红外光谱检测系统光学设计[J].量子电子学报, 2017, 34(3):264-271
[14]Fang B, Zhao W X, Yang N N.Development and application of optical multi-pass cells[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2021, 38(05):617-632
[15]方波, 赵卫雄, 杨娜娜等.光学多通池的研制及应用[J].量子电子学报, 2021, 38(05):617-632
[16] Zhang Z X.Design and Realization of Variable Optical Path Length Multi-Pass cell System[D]. Shandong University, 2021.
[17]张振玺.可变光程多次反射池系统的设计与实现[D].山东大学, 2021.
[18] Shao L G.High-precision Trace Gases Measurement Based on Midinfrared Laser Absorption Spectroscopy [D]. University of Science and Technology of China, 2023.
[19]邵李刚.中红外激光吸收光谱痕量气体高灵敏检测技术及应用研究[D].中国科学技术大学, 2023.
[20]White, John U.Long Optical Paths of Large Aperture[J].Journal of the Optical Society of America, 1942, 32(5):285-288
[21]Grassi L, Guzzi R.Theoretical and practical consideration of the construction of a zero-geometric-loss multiple-pass cell based on the use of monolithic multiple-face retroreflectors[J].Applied Optics, 2001, 40(33):6062-6071
[22]Herriott D R, Schulte H J.Folded Optical Delay Lines[J].Applied Optics, 1965, 4(8):883-&
[23]Herriott D, Kogelnik H, Kompfner R.Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers[J].Applied Optics, 1964, 3(4):523-&
[24]Robert C.Simple,stable,and compact multiple-reflection optical cell for very long optical paths[J].Applied Optics, 2007, 46(22):5408-5418
[25]Gui R, Dong L, Wu H, et al.Three-Dimensional Printed Miniature Fiber-Coupled Multipass Cells with Dense Spot Patterns for ppb-Level Methane Detection Using a Near-IR Diode Laser[J].Analytical Chemistry, 2020, 92(19):13034-13041
[26]Krzempek K, Jahjah M, Lewicki R, et al.CW DFB RT diode laser-based sensor for trace-gas detection of ethane using a novel compact multipass gas absorption cell[J].Applied physics, B. Lasers and optics, 2013, B112(4):461-465
[27]McManus J B, Zahniser M S, Nelson D D.Dual quantum cascade laser trace gas instrument with astigmatic Herriott cell at high pass number[J].Applied optics, 2011, 50(4):A74-A85
[28]Mu Y J, Chen Y, Yu J, et al.Study and design of a king of Multi-Pass White Cell[J].Optical Technique, 2014, 40(04):345-348
[29]穆永吉, 陈远, 余俊等.一种多次反射怀特池的研究与设计[J].光学技术, 2014, 40(04):345-348

基于怀特池的多光程高精度痕量气体检测系统研究

Research on a multiple‐optical‐pathlength and high‐precision trace gas detection system based on White cell

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	吴小广, 马柳昊, 严永胜, 李青, 王宇, . 基于 10.4 μm 量子级联激光器及波长调制光谱技术的高温痕量氨检测[J]. 量子电子学报, 2026, 43(4): 601-611.
[2]	陈兴龙, 陈可友, 万国华, 张春晓, 陈珂 . 基于光声光谱的变压器油中溶解气体高灵敏检测技术[J]. 量子电子学报, 2025, 42(5): 620-628.
[3]	陈亮, 胡仁志, 谢品华, 童金钊, 林川, 杨欢 . 一种 NO₃自由基双分子反应速率常数的测量方法[J]. 量子电子学报, 2025, 42(5): 629-640.
[4]	陈威, 徐亮, 徐寒扬, 徐睆垚, 花谷彪, . 基于 FTIR 开放式多次反射式怀特池系统[J]. 量子电子学报, 2025, 42(5): 641-651.
[5]	许汪洋, 杨同坤, 李良晔, 李豪, 孙琪真, . 基于量子点掺杂聚合物光纤的温度传感研究 (特邀)[J]. 量子电子学报, 2025, 42(4): 526-536.
[6]	魏亚雄, 扶婷婷, 刘毅, 许新胜, . 基于时间分辨光波谱技术的维生素 C 与 9,10-蒽醌光诱导反应机制研究[J]. 量子电子学报, 2025, 42(3): 295-303.
[7]	张敏, 秦晨 . 外电场下 5-溴-2-氟硝基苯分子的解离及激发特性[J]. 量子电子学报, 2025, 42(3): 304-312.
[8]	高翔堃, 董璇, 刘超, 詹杰, 黄青 . 近红外光谱联合机器学习测定樱桃番茄中的番茄红素[J]. 量子电子学报, 2025, 42(3): 313-323.
[9]	房村, 禹胜林, 滕雪松 . 长光程A字型甲烷传感器气室的研究[J]. 量子电子学报, 2025, 42(3): 324-333.
[10]	王旭东, 姜黎明, 梅教旭, 王瑞峰, 古明思, 陈家金, 谈图, 王贵师, 刘锟, 高晓明, . 煤炭地下气化产物甲烷高温高压光谱测量技术研究[J]. 量子电子学报, 2025, 42(1): 27-0.
[11]	刘庆辉 , 黄文健 , 高光珍 , 张铭珂 , 王宣 , 杨玉冰 , 蔡廷栋 . 高温高压下基于 TDLAS 的乙炔浓度和温度同时探测[J]. 量子电子学报, 2025, 42(1): 37-0.
[12]	宋泽阳 , 梁立振 , 柳山虎 , 田镇虎 , 韦江龙 , 许永建 , 谢亚红 , 胡纯栋 , . 基于激光吸收光谱的 Cs 原子浓度检测系统设计研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(6): 852-860.
[13]	赵跃 , 马凤翔 , 王安静 , 李大成 , 崔方晓 , 吴军 , 李扬裕 , 董王朝 . 密闭空间六氟化硫红外光谱仿真技术研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(6): 861-871.
[14]	符小清, 王静鸽, 代博, 梁方圆, 刘佳鑫. 基于柱面聚焦透镜的激光诱导击穿光谱特性研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(4): 578-586.
[15]	张兴龙, 张启航, 刘玉柱, . 锌的激光诱导击穿光谱与等离子体温度研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(4): 587-594.