[发明专利]一种内腔增强型光声光谱式痕量气体传感器装置

权利要求书

1.一种内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于，所述装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器(1)、斩波器(2)、激光准直聚焦系统(3)、前腔镜(4)、可调谐滤波器(5)、激光增益介质(6)、石英音叉(7)、后腔镜(8)；

所述半导体激光器(1)用于输出波长为940nm的种子光；

所述斩波器(2)用以实现对输出激光的强度调制；

所述激光准直聚焦系统(3)中包含两个非球面透镜，其焦距分别为20-40mm、30-60mm；

所述前腔镜(4)为镀940nm高透、2.0～2.5μm高反介质膜的平凹镜，所述平凹镜的曲率为100～500mm；

所述可调谐滤波器(5)为窄线宽滤波器，用于选取特定波长激光；

所述激光增益介质(6)为掺钬激光晶体，其掺杂浓度为1％；

所述石英音叉(7)置于激光器谐振腔内振荡激光的束腰处；

所述后腔镜(8)激光输出透过率不大于5％；

所述前腔镜(4)与后腔镜(8)构成的激光器谐振腔的腔长为100mm，腔内振荡激光的光束直径小于300μm；

所述石英音叉(7)产生的压电信号经阻抗放大器(9)放大后传输至控制与数据采集系统(10)，所述控制与数据采集系统(10)用于检测石英音叉的共振频率，并且实时控制所述斩波器(2)，使之调制的频率f始终为石英音叉的共振频率f0；计算机(11)连接所述控制与数据采集系统(10)，通过上位机软件Labview进行实时控制。

2.根据权利要求1所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述共振频率f0＝32.768kHz。

3.根据权利要求1所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述可调谐滤波器(5)为窄线宽滤波器。

4.根据权利要求3所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述可调谐滤波器(5)的线宽为0.1nm。

5.根据权利要求1所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述阻抗放大器(9)包括前置放大器和锁相放大器，所述石英音叉(7)信号输出端连接所述前置放大器，所述锁相放大器控制与所述数据采集系统(10)连接。

6.根据权利要求1所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述斩波器(2)为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

7.一种根据权利要求1-6之一的装置进行痕量气体检测的方法，其特征在于：

计算机(11)设定相关参数输入至控制与数据采集系统(10)，该控制与数据采集系统(10)同时控制斩波器(2)、可调谐滤波器(5)、阻抗放大器(9)；其中，所述计算机(11)控制所述阻抗放大器(9)对石英音叉(7)的共振频率进行扫描，根据扫描的结果对所述斩波器(2)的调制频率进行设定，控制所述斩波器(2)的调制频率与所述石英音叉(7)的共振频率保持一致；

半导体激光器(1)输出940nm种子光，经所述斩波器(2)调制输出至激光准直聚焦系统(3)；其中，调制的激光经过该激光准直聚焦系统(3)的第一个非球面透镜后成为一束准直的激光光束，再经过第二个非球面透镜后聚焦到激光增益介质中；

激光增益介质(6)吸收种子光后辐射出2.0-2.5μm波长的光子并在激光谐振腔内形成振荡激光；通过控制可调谐滤波器使得谐振腔内只存在一种波长的振荡激光；

目标探测气体吸收谐振腔内的振荡激光后，气体局部产生温度以及压力的变化，进而形成一种声波；

所述石英音叉(7)置于谐振腔内振荡激光的束腰位置处，探测到叉股间隙之间的声波信号产生压电电流信号，该信号由所述阻抗放大器(9)放大后传输至所述控制与数据采集系统(10)；

所述计算机(11)从所述数据采集系统(10)获取相关数据，计算得出目标探测气体的浓度。

8.根据权利要求7所述内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，其特征在于：所述痕量气体为CO。