CN102590092A - 用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置及方法 - Google Patents

Abstract

用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置及方法，属于气体测量领域，本发明为解决现有的激光吸收光谱技术吸收光程延长方法所导致的气体容器体积大、检测响应速度慢的问题。本发明装置包括气体池、多孔材料芯、探测器、一维平移台和放大器，吸收光程延长方法为：在一维平移台带着探测器移动的方向上建立一维坐标系，该一维坐标系的原点为探测器初始位置，驱动一维平移台带着探测器自初始位置点开始移动了n个位置点，每个位置点的坐标为X_i，测量探测器在第i个位置对应的吸收光程为L_eff(X_i)，根据n个位置点及其对应吸收光程，通过二次多项式拟合获得吸收光程L_eff(X_i)与探测器位置坐标x的关系式f(x)＝L_eff(x)，进而通过调整探测器的位置来达到预期的吸收光程。

Description

用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置及方法

技术领域

本发明涉及用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置及方法，属于气体测量领域。

背景技术

激光吸收光谱技术已经成为气体物质含量检测的一种常用的技术手段，为了实现痕量气体的检测，一个常用的直接方法是增加光通过被测气体的光程长度，从而产生更强的吸收来达到提高信噪比的目的。目前用于延长吸收光程的方法主要包括多通池多次反射法、高反射腔增强法、积分球漫反射法等。这些方法尽管可以获得几十倍至几万倍的吸收光程放大倍数，但是基于这些方法的气体容器体积大，不利于测量系统的小型化，同时降低了气体的更换速度，最终导致整个系统的检测响应速度慢。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的激光吸收光谱技术吸收光程延长方法所导致的气体容器体积大、检测响应速度慢的问题，提供了一种用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置及方法。

本发明所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，它包括气体池、多孔材料芯、探测器、一维平移台和放大器，气体池内设置有多孔材料芯，激光光束入射至气体池，该激光光束穿过多孔材料芯后入射至探测器的光敏面，探测器由一维平移台带动沿探测器的光敏面所在平面做一维移动，探测器将探测到的光信号转换成电信号，并通过放大器放大后输出。

基于上述装置的吸收光程延长方法为：在一维平移台带着探测器移动的方向上建立一维坐标系，该一维坐标系的原点为探测器初始位置，初始位置点的坐标X₀＝0，驱动一维平移台带着探测器自初始位置点开始移动了n个位置点，每个位置点的坐标为X_i，i＝0，1，2，...，n，n为自然数，且n＝7～20，

测量探测器在第i个位置对应的吸收光程为L_eff(X_i)，根据n个位置点及其对应吸收光程，通过二次多项式拟合获得吸收光程L_eff(X_i)与探测器位置坐标x的关系式f(x)＝L_eff(x)，

进而通过调整探测器的位置来达到预期的吸收光程。

在实际应用中通过调整探测器的位置来调整有效吸收光程的大小，实施方法为根据f(x)＝L_eff(x)获得的多项式，得到其反函数x(L_eff)，将所需要得到的有效吸收光程L_eff＝L_n代入此反函数中即可获得探测器所对应的坐标位置x(L_n)，通过调节一维平移台来将探测器移到此位置点即可获得预期的有效吸收光程。

本发明的优点：本发明在采用小体积气体池的情况下仍然可以获得较大的吸收光程放大倍数，也就是在保证吸收光谱测量系统小型化的前提下显著提高测量结果的信噪比，从而提高气体检测的灵敏度。此外，可以在不对气体池本身做任何变动的情况下，通过移动探测器的位置来调节吸收光程的放大倍数。

附图说明

图1是本发明所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置的结构示意图；

图2是多孔材料芯的形状为长方体时，该长方体的激光光束入射面的主视图；

图3是图2的侧视图；

图4是多孔材料芯的形状为圆柱体时，该圆柱体的激光光束入射面的主视图；

图5是图4的侧视图；

图6是激光光束入射至多孔材料芯表面入射角度示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，它包括气体池1、多孔材料芯2、探测器3、一维平移台4和放大器5，气体池1内设置有多孔材料芯2，激光光束入射至气体池1，该激光光束穿过多孔材料芯2后入射至探测器3的光敏面，探测器3由一维平移台4带动沿探测器3的光敏面所在平面做一维移动，探测器3将探测到的光信号转换成电信号，并通过放大器5放大后输出。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，多孔材料芯2的组成物质为氧化铝、氧化锆或氧化钛中的一种或几种，材料孔隙率大于30％，材料孔平均直径小于10μm。

具体实施方式三：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多孔材料芯2的形状为长方体，该长方体的激光光束入射面的长度为a，宽度为b；垂直于激光光束入射面的长方体的厚度为d，且满足a≥b＞3d。

具体实施方式四：下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多孔材料芯2的形状为圆柱体，该圆柱体的激光光束入射圆面的直径为e，垂直于激光光束入射面的圆柱体的厚度为f，且满足e＞3f。

具体实施方式五：基于实施方式一所述装置的吸收光程延长的方法为：在一维平移台4带着探测器3移动的方向上建立一维坐标系，该一维坐标系的原点为探测器3初始位置，初始位置点的坐标X₀＝0，驱动一维平移台4带着探测器3自初始位置点开始移动了n个位置点，每个位置点的坐标为X_i，i＝0，1，2，...，n，n为自然数，且n＝7～20，

测量探测器3在第i个位置对应的吸收光程为L_eff(X_i)，根据n个位置点及其对应吸收光程，通过二次多项式拟合获得吸收光程L_eff(X_i)与探测器3位置坐标x的关系式f(x)＝L_eff(x)，

进而通过调整探测器3的位置来达到预期的吸收光程。

在实际应用中通过调整探测器的位置来调整有效吸收光程的大小，实施方法为根据f(x)＝L_eff(x)获得的多项式，得到其反函数x(L_eff)，将所需要得到的有效吸收光程L_eff＝L_n代入此反函数中即可获得探测器3所对应的坐标位置x(L_n)，通过调节一维平移台4来将探测器3移到此位置点即可获得预期的有效吸收光程。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，测出任一位置点X_i时的吸收光程L_eff(X_i)的过程为：

测量探测器3在第i个位置对应的吸收光程L_eff(X_i)的过程为：

步骤一、探测器3固定在该位置点，在气体池1内充入缓冲气氮气，调整激光光束入射至气体池1，放大器5将探测器3采集的光强信号放大后输出，根据该放大后的信号计算获得多孔材料芯2散射出的无吸收光强度I₀；

步骤二、在气体池1内充入已知浓度的样品气体，调整激光光束入射至气体池1，放大器5将探测器3采集的光强信号放大后输出，根据该放大后的信号计算获得吸收光强度I_t；

步骤三、根据步骤一获取的氮气光强度I₀和步骤二获取的样品光强度I_t按公式

$L_{\mathrm{eff}}\left(X_i\right)=\frac{\ln (I_0/I_t)}{\mathrm{\σN}}$

计算获得探测器3位于该位置时对应的光程L_eff(X_i)，

式中，N为样品气体的浓度，σ为样品气体的吸收截面。该截面可由光谱数据库查得。

工作原理：激光光束入射至多孔材料芯2，经过入射表面多孔结构散射后光子会延不同的反向散射开来，一些光子以不同的散射方向进入到多孔材料芯2内部，在内部多孔结构继续的散射作用下，沿着不同的方向前进，最后在多孔材料芯2的不同表面的不同位置处逸出。由于光子在多孔材料芯2内部不是沿着直线传播的，而是在多孔结构的散射作用下曲折式前进，相比于直线式的传播方式所经历的吸收光程可以扩大几倍至几万倍。在气体池内充入气体后，气体会渗入到多孔材料芯2内部并很快达到平衡状态，使得气体池1内部各个位置的气体浓度是一致的。探测器3所接收到的光子是经由不同路径抵达的，因此所携带的吸收信号大小各不相同。探测器3的响应时间不足以分辨单个光子的独立吸收过程，因此最终探测到的光强I是一种平均效果，由公式

所得到的光程是一种表征所探测到的光子集体吸收行为的有效光程。

有效吸收光程不是简单的对各个光子吸收光程取平均值，对它的精确理论计算过程是一个复杂的过程，这里是采用标准物定标的方法获得的。先在多孔材料芯2内充入不含气体样品的缓冲气氮气，测得无吸收时的光强I₀；再将多孔材料芯2内的气体置换为具有已知浓度N的样品气体，测得此时经过气体吸收后的光强I_t，则根据公式

可以获得此位置探测器3所测量得到的光子吸收对应的有效光程。

当探测器3处于不同位置的时候，接收到的光子所经历的吸收路径是不同的，相应的有效吸收光程也是不同的。理论和实践均表明，在逐步改变探测器3的位置的情况下，所获得的有效光程是按照确定规律变化的。以探测器3的初始位置为原点建立探测器位置的一维坐标系，通过一维平移台4不断调整探测器3至不同的位置X_i，获得相应的有效光程L_eff(X_i)，通过二次多项式拟合获得有效吸收光程L_eff(X_i)与探测器3位置x的关系式f(x)＝L_eff(x)。在实际应用中可以根据需要通过调整探测器3的位置来调整有效吸收光程的大小。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式六作进一步说明，入射至气体池1的激光光束与多孔材料芯2入射面的法线所成的角度θ范围为0～45度。

Claims (7)

1.用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，其特征在于，它包括气体池(1)、多孔材料芯(2)、探测器(3)、一维平移台(4)和放大器(5)，气体池(1)内设置有多孔材料芯(2)，激光光束入射至气体池(1)，该激光光束穿过多孔材料芯(2)后入射至探测器(3)的光敏面，探测器(3)由一维平移台(4)带动沿探测器(3)的光敏面所在平面做一维移动，探测器(3)将探测到的光信号转换成电信号，并通过放大器(5)放大后输出。

2.根据权利要求1所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，其特征在于，多孔材料芯(2)的组成物质为氧化铝、氧化锆或氧化钛中的一种或几种，材料孔隙率大于30％，材料孔平均直径小于10μm。

3.根据权利要求1所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，其特征在于，多孔材料芯(2)的形状为长方体，该长方体的激光光束入射面的长度为a，宽度为b；垂直于激光光束入射面的长方体的厚度为d，且满足a≥b＞3d。

4.根据权利要求1所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的装置，其特征在于，多孔材料芯(2)的形状为圆柱体，该圆柱体的激光光束入射圆面的直径为e，垂直于激光光束入射面的圆柱体的厚度为f，且满足e＞3f。

5.基于权利要求1所述装置的吸收光程延长的方法，其特征在于，吸收光程延长的方法为：在一维平移台(4)带着探测器(3)移动的方向上建立一维坐标系，该一维坐标系的原点为探测器(3)初始位置，驱动一维平移台(4)带着探测器(3)自初始位置点开始移动了n个位置点，每个位置点的坐标为X_i，i＝0，1，2，...，n，其中初始位置点的坐标X₀＝0，n为自然数，且n＝7～20，

测量探测器(3)在第i个位置对应的吸收光程为L_eff(X_i)，根据n个位置点及其对应吸收光程，通过二次多项式拟合获得吸收光程L_eff(X_i)与探测器(3)位置坐标x的关系式f(x)＝L_eff(x)，

进而通过调整探测器(3)的位置来达到预期的吸收光程。

6.根据权利要求5所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的方法，其特征在于，测量探测器(3)在第i个位置对应的吸收光程L_eff(X_i)的过程为：

步骤一、探测器(3)固定在该位置点，在气体池(1)内充入缓冲气氮气，调整激光光束入射至气体池(1)，放大器(5)将探测器(3)采集的光强信号放大后输出，根据该放大后的信号计算获得多孔材料芯(2)散射出的氮气光强度I₀；

步骤二、在气体池(1)内充入已知浓度的样品气体，调整激光光束入射至气体池(1)，放大器(5)将探测器(3)采集的光强信号放大后输出，根据该放大后的信号计算获得多孔材料芯(2)散射出的样品光强度I_t；

步骤三、根据步骤一获取的氮气光强度I₀和步骤二获取的样品光强度I_t按公式

$L_{\mathrm{eff}}\left(X_i\right)=\frac{\ln (I_0/I_t)}{\mathrm{\σN}}$

计算获得探测器(3)位于该位置时对应的光程L_eff(X_i)，

式中，N为样品气体的浓度，σ为样品气体的吸收截面。

7.根据权利要求6所述用于激光吸收光谱技术的吸收光程延长的方法，其特征在于，入射至气体池(1)的激光光束与多孔材料芯(2)入射面的法线所成的角度θ范围为0～45度。

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