[发明专利]一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法

说明书

本发明公开了一种中红外全光纤光腔衰荡痕量气体检测系统和方法，波长可调谐中红外量子级联激光器作为光源，一段中红外单模光纤作为激光输出尾纤，一段中红外空芯光纤作为气室，空芯光纤的输入输出端的侧向钻有通气微孔以供被测气体通过，激光信号通过气室后进入一段中红外单模光纤。测量气室内真空时和充满被测气体时的光腔衰荡时间差，计算被测气体特征吸收波长的单波长气体吸收系数；通过调谐激光器波长，测得被测气体在波段范围内的吸收光谱系数与波长的关系；通过处理数据定性定量地确定被测痕量气体的成分和浓度。本发明灵敏度高、抗干扰能力强，使复杂光路耦合变得简单易行，系统结构紧凑、体积小、易便携。

技术领域

本发明涉及一种痕量气体的检测系统和方法，具体涉及一种基于中红外量子级联激光器的全光纤结构光腔衰荡痕量气体检测系统和方法。

背景技术

中红外3-14微米波段具有重要的实用价值，生命相关的含碳、氢、氧、氮的气体分子和挥发性有机物的指纹性基频振动吸收谱线都落在这个波段内，因此中红外光谱技术可以对多组分痕量气体进行同步在线、快速准确的定性定量分析，这在环境监测、工业生产过程监控、有毒易爆气体检测、疾病诊断等诸多应用场景中有着重要的需求。

腔衰荡光谱技术是一种基于谐振腔的特殊吸收光谱检测技术，具有极高的灵敏度和分辨率，且不受光源功率波动的影响，适合测试极低浓度样品；因此被广泛地用于各类原子、分子、基团等的高精度吸收光谱测试，在大气环境监测和生物医学等领域取得了良好的效果。

腔衰荡光谱技术基于由两个高反射镜构成的光学谐振腔，当腔内充满对通过反射镜进入谐振腔的激光波长具有一定吸收的物质(气体或液体)，激光信号在腔内经历多次反射，这样可以在一个较短的腔内实现较长光程的等效结果，通过谐振腔内的光强衰减时间来获得腔内的损耗信息，从而计算得到极低浓度物质的吸收系数。

和通常基于Lambert-Beer定律的直接吸收光谱测试技术比较，腔衰荡光谱技术通过谐振腔内的光强I随时间t呈指数衰减(I＝I₀·exp(-(cA/nL)·(t/τ)))，其中，n为腔内介质的折射率，对于气体，其折射率n＝1，L为谐振腔长度，A为腔内总的传输损耗，c为真空中的光速；这样得到衰荡腔输出光强I衰减到初始光强I₀的1/e(～36.8％)的时间τ为衰荡时间(τ＝(nL)/(cA))；通过被测气体的衰荡时间和无被测气体时的背景是衰荡时间差，计算出测试气体的吸收系数；必须指出，由于腔衰荡光谱技术测试的是一个在微秒-纳秒量级的时间量，在此短时间间隔内，激光光源的强度波动可以被忽略；所以该技术在测试极低浓度的物质时，能够避免由于激光强度波动对测试精度影响。

在腔衰荡光谱测试中，需要保证谐振腔的较高的反射率和较低的反射损耗，腔两端的反射镜需要镀有高反射率材料，同时两个腔镜之间需要精确的对准，构建整个光学系统具有较高的复杂度。近红外(0.8-2.4微米)波段，能够被低损耗单模石英光纤覆盖，所以基于石英光纤的全光纤腔衰荡光谱技术能够在近红外波段对ppm(百万分之一)水平浓度的痕量气体实现检测。

全光纤腔衰荡光谱技术需要用到带光纤输出的激光光源、光纤布拉格光栅、光纤气室、和带光纤输入的光电探头多个光纤器件；在近红外波段，各类低损耗石英光纤器件能够满足其需求；但是在近红外波段，各类气体仅存在泛频、混频等高次谐波吸收峰，其吸收截面比其在中红外波段的基频吸收强度要低2-3个数量级，同时由于许多气体在近红外波段的泛频、混频吸收峰在波长上容易重合，因此近红外光谱分析技术对痕量气体进行定性定量分析时，在强度上的灵敏度和在光谱上的分辨率都要远远差于中红外光谱分析技术。