[发明专利]表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体探测技术，尤其是一种在开放环境下工作的基于表面微结构硅悬臂梁的对痕量气体进行远距离探测的光热光谱痕量气体探测方法及装置，可广泛用于远距离爆炸物探测、环境监测以及有毒有害危险气体检测等领域。

背景技术

痕量气体远距离探测技术的发展对于大气环境监测，爆炸物的远距离探测及生物生理状态检测等都具有十分重要的意义。吸收光谱气体检测技术具有测量范围大，可多组分测量，可连续监测等优点，逐渐成为理想的痕量气体浓度检测工具。吸收光谱气体检测技术主要包括差分吸收光谱技术、可调谐激光二极管吸收光谱技术、激光诱导荧光技术以及光声光谱技术等。其中，光声光谱技术由于具有灵敏度高，抗干扰能力强、动态范围大，探测器响应与入射波长无关等特点，一直以来都是痕量气体检测技术最重要的发展方向之一。

为了提高光声光谱技术的探测灵敏度，人们一直致力于改良光声池的结构和采用更灵敏的麦克风等来改进发展这项技术。例如2002年，荷兰Nijmegen大学的光声光谱小组利用光参量振荡器搭建的光声光谱系统将乙烷的检测灵敏度提高到10ppt水平， 2009年中国科学院安徽光机所提出了一种基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体的装置，并实时测量大气压下的水蒸气浓度，其探测归一化等效噪声为5.9×10^-10 cm^-1W/Hz^1/2。芬兰V.KOSKINEN等人提出了一种“基于悬臂梁增强的光声光谱探测装置”，探测了二氧化碳气体的浓度，其探测归一化等效噪声为1.7×10^-10cm^-1W/Hz^1/2。尽管该类方法具有很高的探测灵敏度，但是由于光声池的使用，限制了该方法仅能在痕量气体存在区域内进行探测，而不能进行远距离探测。从而在对有毒、易燃易爆等危险气体探测的应用中受到了极大地限制。

为了克服上述不足，实现采用光声光谱方法对痕量气体实现远距离探测，美国能源部所属橡树岭国家实验室在2008年提出了一种用于远距离探测爆炸物的光声光谱探测系统。在该系统中，量子激光器发出的激光照射到20m处的被探测物后经由反射板反射到凹面镜后聚焦在石英音叉上，从而引起音叉振动。由于音叉的压电效应，振动的石英音叉将产生压电电流信号，此信号经锁相放大器在谐振频率处进行解调，从而得到气体样品的吸收谱。但是这种探测方法采用石英音叉作为光能吸收器件，其吸光率较低，从而限制了探测灵敏度的进一步提高。另外，如果要提高音叉的探测灵敏度，需要较大的激光能量，从而极大地增加了对易燃易爆气体探测的风险。之后，该实验室又提出一种基于悬臂梁的爆炸物探测系统，能够实现在1米范围内的三种典型爆炸物的探测，相比石英增强型光声光谱探测系统而言，该系统具有更高的探测精度。但是，由于该氮化硅悬臂梁对入射光的吸收效率非常低，极大降低了其对微弱光信号探测的能力，从而无法进行远距离光谱探测；而且该悬臂梁柔度较低，热偏转效率低下，因此需要采用昂贵的高精度位置灵敏探测系统来拾取悬臂梁的振动幅值，造成系统结构复杂，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提出一种在开放环境下用于痕量气体探测的基于表面微结构硅悬臂梁的光热光谱探测方法及装置，是一种廉价、体积小、结构简单、使用方便、探测灵敏度高、具备野外环境工作能力，能用于多种或多组分痕量气体的远距离探测方法及装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：

一种表面微结构硅悬臂梁增强型光热光谱痕量气体探测方法，所述方法是让从可调谐激光器发出的脉冲激光通过被检测气体，被吸收后入射到反射物体上，经过反射物体后反射到凹面镜上，用凹面镜把接收到的光能量聚焦到表面微结构硅悬臂梁上，由表面  微结构硅悬臂梁吸收光能量后发生谐振，同时通过基于光纤端面和悬臂梁的金属表面组成的可调谐的光纤法珀解调系统拾取该表面微结构硅悬臂梁的振动信号，当悬臂梁发生谐振时，法珀腔的腔长发生变化，从而导致反射干涉光强度发生周期性变化，通过对该光信号的强度解调得到悬臂梁的谐振信号，最后采用信号处理系统反演出被探测气体的浓度。

实现上述方法的基于表面微结构硅悬臂梁的光热光谱痕量气体探测装置，其包括可调谐激光器、反射物体、表面微结构硅悬臂梁、凹面镜、光纤、光纤耦合器、连续激光器、单点光电探测器、信号处理系统、光纤、光纤和激光控制器。