[发明专利]使用调制照明波长方法的光声气体传感器

说明书

使用调制激光辐射的波长的方法的光声气体传感器(1,2)，所述调制通过明智地使用被称为产生电流(31)的电流获得，所述产生电流泵浦一个或更多个激光源，所述产生电流被配置成使一个或更多个激光器(10)以脉冲模式操作，并且所述调制通过明智地使用被称为基极电流(34)的电流获得，所述基极电流在每个激光脉冲之间采取非零值，基极电流的幅度低于产生电流的幅度，基极电流的幅度被调制，使得一个或更多个激光源向单元中发射光辐射，所述光辐射具有围绕中心波长周期性地变化的波长，以便以规则的间隔采取特别适用于激发待检测气体的值，由此，光辐射与包含在单元中的待检测气体之间的相互作用诱导产生处于单元的谐振频率的声波。

技术领域

本发明涉及光声气体传感器。

背景技术

光声光谱学(PA)是一种定性和定量分析技术，其可用于确定各种固体、液体和气体的成分。该技术基于激光辐射与材料的相互作用，所述相互作用允许产生声波，然后对声波进行分析，以表征所研究的材料。由于气体原子的线吸收光谱的自然选择性，这种技术特别适用于使用单色光源的气体检测。近十年来，紧凑型红外激光源(例如，激光二极管)的迅速发展，使PA气体检测成为一种耐用的、紧凑的、简单的解决方案。通过PA分析气体需要脉冲激光源或连续波，其强度和/或波长被调制，形成包含待分析气体的声学谐振器的单元和检测传声器。气体检测中的PA效应可以分为4个步骤：(1)激光辐射被气体吸收，从而激发旋转能级、电子能级和振动能级；(2)在振转激发的情况下，气体将经由分子碰撞优先松弛，从而导致旋转/振动能量和动能的转移，从而产生气体的局部加热。在振转激发的情况下，辐射发射并不占主导地位，因为在PA中常规使用的压力(～1巴)下，与非辐射能级的寿命相比，振转辐射能级的寿命较长。实际上，由气体吸收的能量通过将动能转化到气体原子而以热的形式完全转移；(3)产生声波和由于气体加热而膨胀导致的热波；(4)通过传声器检测声波信号。传声器的振动幅度代表气体的浓度，并且由气体吸收的激光辐射的波长表示气体的成分。

在绝大多数情况下，在气体分析中，由激光与所研究气体之间的相互作用产生的PA信号在使用在特定频率下具有谐振的声学单元检测之前被放大。显然，这要求生成的PA信号具有与单元的谐振频率相同的频率。为了实现这一点，已知在单元的谐振频率下调制激光辐射的幅度，这导致在相同频率下调制PA信号。激光辐射的幅度的调制有多种形式，其分为连续波光声和脉冲光声两类。

脉冲光声使用脉冲光源或带有外部机械或电光调制器的连续波源；例如，见EllenL.Holthoff、Logan S.Marcus和Paul M.Pellegrino的文章“Photoacoustic Spectroscopyfor Trace Vapor Detection and Standoff Detection of Explosives(用于爆炸物痕量蒸汽检测和防区外检测的光声光谱学)”化学、生物、放射性、核和爆炸物(CBRNE)传感XVII(第9824卷，第98240R页)。国际光学与光子学学会。为了在单元的谐振频率下生成PA信号，已知使用以准连续波(QCW)状态操作的源。在这种情况下，激光的幅度在一个频率下被调制，即所谓的重复频率，其远高于单元的谐振的频率，使得从与声谐振相对应的调制频率来看，激光辐射呈连续波。

然而，无论是以连续波还是脉冲状态进行幅度调制，都具有生成声信号的缺点，这种信号是由激光辐射与单元壁之间的相互作用产生的。具体地，这种相互作用很容易出现在气体传感器的光学元件由于冲击或振动引起的失调上。现在，由所述相互作用产生的PA信号的幅度与激光辐射的幅度成正比。这意味着通过对激光幅度的调制来调制该信号的幅度，因此其在相同的频率(调制频率)下生成。该光声信号是一种声音，它会添加到来自气体的PA信号中，这可能会干扰后者的真实幅度的确定，从而干扰所研究气体的浓度的精确确定。