[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

说明书

技术领域

本发明涉及激光检测领域，具体涉及一种利用激光对痕量气体的检测方法及设备。

背景技术

大气环境中存在多种痕量气体，例如甲烷(CH₄)、臭氧(O₃)、一氧化碳(CO)等，浓度在ppt-ppm量级，它们的含量虽然很低，但是却对环境有着很大的影响。精确测量这些痕量气体的组分、含量以及其随时间、空间的分布变化，对于基础科学和应用技术研究也具有非常重要的意义。

在痕量气体检测技术研究中，测量方式可分为非光谱法和光谱法。相比非光谱法的测量手段而言，光谱法有着高灵敏度、高分辨率等优点，同时随着激光光谱技术的迅速发展和激光器件的研究进步，使得利用激光光谱技术实现痕量气体的检测成为了新的研究领域。在众多激光光谱测量方法中，光声光谱由于具有成本低、探测性能好而成为目前的研究热点。

提高激光光声光谱探测技术的探测范围和探测灵敏度的方法通常包括光声池的优化设计以及高灵敏度新型传感器的设计两个方面。例如，Harren等人通过理论分析和实验研究对纵向共振光声池结构进行了优化设计，并完成了C2H2气体的探测，其极限探测灵敏度高达6ppt。V.Koskinen等采用微悬臂梁作为光声光谱探测系统的声传感器，完成对CO2气体探测对象。特别是美国的Anatoliy A.Kosterev等在2002年采用具有极高品质因数的石英音叉作为声传感器，首次提出了石英增强型光声光谱探测系统，极大地增加了系统对环境噪声的抗干扰能力，因此受到了研究工作者的极大关注，对此进行了深入的探索研究，并广泛应用于各种痕量物质探测中。上述方法采用光声池作为声信号增强器件，仅能对被测物质进行接触式近距离探测，因此极大地限制了对爆炸物、有毒有害物质的探测。

因此，研发一种高灵敏度、且能在任意环境中进行检测的装置或方法就变得十分紧迫。

发明内容

本发明实施例提供了一种内腔增强型光声光谱式痕量气体传感器装置，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。

本发明实施例提供的一种内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，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。

进一步的，所述共振频率f0＝32.768kHz。

进一步的，所述可调谐滤波器为窄线宽滤波器。

进一步的，所述可调谐滤波器的线宽为0.1nm。

进一步的，所述阻抗放大器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连接。

进一步的，所述斩波器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

本发明实施例提供的一种利用上述任一装置进行痕量气体检测的方法，包括如下步骤：计算机设定相关参数输入至控制与数据采集系统，该控制与数据采集系统同时控制斩波器、可调谐滤波器、阻抗放大器；其中，所述计算机控制所述阻抗放大器对石英音叉的共振频率进行扫描，根据扫描的结果对所述斩波器的调制频率进行设定，控制所述斩波器的调制频率与所述石英音叉的共振频率保持一致；

半导体激光器输出940nm种子光，经所述斩波器调制输出至激光准直聚焦系统；其中，调制的激光经过该激光准直聚焦系统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；