[发明专利]单光束飞秒激光测量空气中污染物浓度的检测装置和检测方法

说明书

一种单光束飞秒激光测量空气中污染物气体浓度的检测装置和检测方法。该装置中线偏振飞秒激光经过四分之一波片，变成圆偏振光。圆偏振飞秒激光激发污染物的振动相干性，并激发空气中的氮气分子产生窄带的皮秒激射信号。该激射信号作为探测光，经过相干激发的污染物分子后，诱导振动拉曼散射。通过测量污染物相干拉曼散射信号的强度，反推得到待测污染物的种类与浓度。本发明具有检测装置简单、信噪比高和适合远程测量的特点。

技术领域

本发明涉及气体检测领域，特别是一种空气中气体污染物浓度的检测装置和检测方法。

背景技术

目前，基于飞秒激光的气体检测技术主要包括：激光诱导荧光技术、非线性白光雷达技术和飞秒-皮秒相干拉曼散射技术。激光诱导荧光技术和非线性白光雷达技术分别是通过测量气体的特征荧光和背向散射的白光吸收谱获得气体种类和浓度的信息(可参阅H.Xu et al.,Appl.Phys.Lett.90,101106(2007)和J.Kasparian et al.,Science 301,61-64(2003))。荧光和散射光都是非相干光，探测信号随传输距离的增加平方衰减，具有信噪比差、灵敏度低等缺点。飞秒-皮秒相干拉曼散射技术，作为一种相干探测技术，具有很好的方向性(可参阅D.Pestov et al.,Science 316,265-268(2007))，但是至少需要飞秒和皮秒两束激光，并且要求两束光空间重叠、时间延迟精确可控，因此装置复杂、稳定性较差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种空气中污染物浓度的检测装置和检测方法，通过采用单独一束飞秒激光进行相干测量，装置更简单，采集的信号信噪比更高，有利于低浓度气体的测量，而且信号的方向性更好，利于远程测量。

本发明技术解决的基本思想是：

圆偏振飞秒激光激发污染物的振动相干性，并激发空气中的氮气分子产生窄带的激射信号。该激射信号具有皮秒的脉冲宽度，经过相干激发的污染物分子后，可以诱导振动拉曼散射。通过测量污染物相干拉曼散射信号的强度，反推得到待测污染物的种类与浓度。利用飞秒激光激发空气分子产生的激射信号为皮秒探测光，克服了飞秒-皮秒相干拉曼散射技术中双光束设计的装置复杂、稳定性差等缺点。

本发明的技术解决方案如下：

一种空气中污染物浓度的检测装置，其特点在于，包括：近红外飞秒激光器、四分之一波片、聚焦透镜、气腔、准直透镜、滤波片、收集透镜和光栅光谱仪；所述的气腔内充有待测气体和标准空气，所述的滤波片为在相干拉曼信号波段具有高透过率的窄带滤波片；

所述的近红外飞秒激光器输出的线偏振飞秒激光经过四分之一波片，转化成圆偏振飞秒激光，该圆偏振飞秒激光经所述的聚焦透镜会聚后，经所述的气腔出射的光依次经过准直透镜和滤波片，获得污染物振动拉曼信号，该污染物振动拉曼信号经收集透镜聚焦到光栅光谱仪。

利用上述的装置测量污染物浓度的方法，包括下列步骤：

1)打开接入气腔的微调阀，将1个大气压的标准空气(N₂:80％,O₂:20％)和待测污染物气体充入气腔)，并通过微调阀控制污染物的浓度；

2)启动所述的近红外飞秒激光器，输出飞秒激光；

3)调节四分之一波片的角度，使得线偏振飞秒激光转化成圆偏振光；

4)圆偏振飞秒激光经过聚焦透镜聚到充有待测气体和标准空气的气腔，出射的光经过准直透镜和滤波片，获得污染物振动拉曼信号；

5)拉曼信号经过收集透镜聚焦到光栅光谱仪的狭缝，利用光栅光谱仪对污染物相干拉曼散射信号进行采集和光谱分析；