CN104713831A - 一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，包括以下步骤的至少一种：破除光学部件表面的平行性，同时维持入射光和透射光的同向性；加强增透膜的透射率，进一步降低光学窗口的反射率；降低光源的相干性；增加一级透射光和二级透射光的空间分离，减少空间重合；改变具有平行表面的光学部件的厚度d；破坏表面的平滑度。本发明所述方法可应用在基于光谱技术的气体分析仪里，通过新型的光学设计，降低由于干涉所造成的基线结构幅度，提高它的机械稳定性，提高对温度变化和机械振动的抗干扰性能。

Description

一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法

（一）技术领域

本发明涉及光谱分析仪，具体涉及一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法。

（二）背景技术

在基于光谱技术的气体分析仪里，当采样气室中的样品无光谱结构时，所采集的谱线称之为“光谱基线”。理想的光谱基线应该是一条没有偏置的没有结构的“零线”。然而，实际的仪器由于种种原因，在光谱基线上除了有各种内禀的噪声之外，还会有各种结构如周期性结构、偏置、倾斜。内禀的噪声可以通过成熟的方案如多次平均、滤波等技术大大降低其影响。但是各种结构均有其物理源，通过噪声处理方案之后，这些结构就会变得更加明显。造成这些结构的物理源可能是多种多样的，如半导体二极管激光器的构造设计安装、采样气室随温度变化的机械稳定性、光学部件的光学性能（衍射干涉）、电子线路的自激震荡、对外来干扰源的过滤性能等。这些结构的存在严重影响分析仪的最小探测极限、探测灵敏度、分析仪的分辨率和动态范围。

电子技术分析并解决电子线路的自激震荡、对外来干扰源如电源的过滤性能提高也是广为人知的成熟方案，可以进一步降低基线的信号幅度，提高分析仪性能。由光源半导体二极管激光器的构造设计是受制造工艺的限制，目前本类分析仪均采用当今国际最先进的欧美制造商，提高的空间受限制，主动权不在分析仪生产商手里。本专利申请一种技术方案，可应用在基于光谱技术的气体分析仪里，通过新型的光学设计，降低由于干涉所造成的基线结构幅度，提高它的机械稳定性，提高对温度变化和机械振动的抗干扰性能。

基于激光的调制吸收光谱技术的分析仪通常会用到如下的光学部件如透镜、高反端镜和透射窗口或参考气室等。这些部件会根据具体激光光源的波段镀有增透膜或增反膜，提高了光的利用效率，降低了杂散光的产生，降低了可能产生的干涉信号的强度。普遍常见的干涉条纹产生是由两束相干光源在空间的叠加，在成像面的不同位置有不同的相位差，从而形成明暗相间的空间分布的干涉条纹。而光谱基线的信号是经过聚焦透镜汇聚在探测器表面的，经光电转换而形成的光电流信。光斑的大小比探测器的尺寸小很多，即使有空间的干涉条纹，也会被综合平均到光电流信号中，而不会被分辨出来。光谱基线的周期性结构问题一直困扰着业界的研究人员。现经过系列的实验设计研究光谱基线的周期性结构，提出了光干涉理论模型，很好的解释了周期性结构的一系列现象，验证了几个因素的物理关联关系。

出现在光谱基线上的周期性结构仍然是由两个平行表面的相干光干涉所形成的。当相干光经过平行表面时，一级透射光和经过两个表面反射的二级透射光具有相同的传播方向，二者的传播路径重合或部分重合，二者有固定的光程差。对于固定波长的相干光源，固定的光程差对应固定的相位差。当相位差为180度时，二者产生相消干涉，对应的光信号变暗，转换的光电流弱。当相位差为0（或360）度时，二者产生相长干涉，对应的光信号变强，转换的光电流大。光谱仪扫描时，波长连续变化，同样的光程差对应不同的相位差，从而在光信号的直流部分叠加了干涉的周期性结构。基于激光的调制吸收光谱技术，采用二倍频解调，过滤出其直流信号部分，具有很高的灵敏度，在测量痕量气体含量的应用方面很有优势。基于同样的高灵敏度原因，基线的周期性结构尽管很弱，也会被检测到，对于进一步提高分析仪的灵敏度和探测低限形成了障碍。一般的厚度d为1-2mm, 在整个扫描内范围内只出现一个周期或者一个周期的局部结构。因为光多次穿过同一光学窗口或多个光学窗口，会出现多个不同强度的干涉源叠加情况，不会方便地辨别出来其光干涉的本质，常常被误认为别的因素导致，花费大量的精力研究。随着温度的变化，光谱基线还会左右移动，对目标分析物的光谱干扰，影响测量精度。图1给出了一个具体的展示，当各种因素特定配置时，在光谱基线上和满量程的信号光谱上，均会出现光干涉的周期性结构。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，该方法操作简单、效果好。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特殊之处在于：包括以下步骤的至少一种：

（1）破除光学部件表面的平行性，同时维持入射光和透射光的同向性；

（2）光学部件外设置增透膜，通过加强增透膜的透射率，进一步降低光学窗口的反射率；

（3）降低光源的相干性；

（4）增加一级透射光和二级透射光的空间分离，减少空间重合；

（5）改变具有平行表面的光学部件的厚度d；

（6）破坏表面的平滑度。

一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法中的光学部件，光学部件的两个外表面对应的倾斜角相同。

本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件包括上楔形、下楔形及中间标准的平行面的窗口。

本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件包括两个相同的楔形窗口。

本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件的外表面与侧面并不正交。

本发明的有益效果：本发明所述方法可应用在基于光谱技术的气体分析仪里，通过新型的光学设计，降低由于干涉所造成的基线结构幅度，提高它的机械稳定性，提高对温度变化和机械振动的抗干扰性能。

（四）附图说明

附图1为一出现在光谱基线和满量程的信号光谱上个典型的干涉性周期结构示意图；

附图2为形成光谱基线周期性结构的原理示意图；

附图3为光学部件a的结构示意图；

附图4为光学部件b的结构示意图；

附图5为光学部件c的结构示意图；

附图6为两个光学窗口的参考气室的改进结构截面图；

图中，1为电子设备，2为光源，3为探测器，4为路径，5为气源，6为流量控制器，7为洗涤器，8、10、11为流道切换阀，9为标准气源，12、13为端镜，14为进气口，15为下游出口，16为气室，17为第二个洗涤器,18为状态变化甄别器。

（五）具体实施方式

本实施例用于光谱气体分析仪的消干涉方法包括如下方案：

1. 破除光学表面的平行性，同时维持入射光和透射光的同向性。

对于一个有效光学部件的部件，如光学窗口，采用下面的三种结构之一：

图2-5，光学窗口的改进结构截面图。

图2-5所示均为截面图，实际形状包括但不限于圆形、方形、矩形、椭圆形等。两个外表面对应的倾斜角相同，可维持入射光和透射光具有相同的传播方向，透射光仅会发生微小的水平偏移。这对于多次反射长光程的采样气室设计非常关键。对于任何光程，光束的水平偏移可以通过对探测器水平偏移来补偿。但是如果传播方向发生变化，最终光斑的位置偏移存在巨大的不确定性，无法通过对探测器水平偏移来补偿。外表面镀有增透膜，具有极低的反射率。（a）由三部分组成，上楔形、下楔形和中间标准的平行面的窗口。(b) 由两部分组成，有两个相同的楔形窗口组成。（a）和（b）中两个楔形部件反平行组合，维持透射光方向不变。（c）是一个单一的光学部件，不同于普通的光学窗口，它的外表面与侧面并不正交。图中（a）和（b）各部分是由同种光学材料组成,有相同的折射率。界面部分由光学粘胶粘合而成，各个部分组合在一起，实际操作过程中几何尺寸的任何微小偏差，都不足以对整个光束维持一致的相位，因而不会形成干涉条纹的周期结构。（c）也可以降低干涉结构的信号强度，其原理在另外一个区域论述。

对于两个有效光学部件的部件,如具有两个窗口的参考气室，采用下面图6所示结构：

参考气室有两个光学窗口，中间的体积空间可容纳参考气体（或液体）。在改进结构中，传统的平行窗口被楔形窗口替代，两个相同的楔形窗口反平行组合，维持透射光方向不变。参考气室内侧楔形窗口的表面看似平行，但分属不同的部件，不足以对整个光束维持一致的相位，因而不会形成干涉条纹的周期结构。

2. 加强增透膜的透射率，进一步降低光学窗口的反射率。没有镀膜的光学表面反射率一般为4%；镀膜后的反射率一般可降低到0.1%-0.4%。经过两次反射，二级透射光的功率至少衰减两到三个数量级。

3. 降低光源的相干性。没有调制的半导体二极管激光器单色性极好，自然线宽一般在几个MHz，对应的空间相干长度为几百米。周期型结构很强，甚至会出现在光电信号的直流部分。调制吸收光谱的调制线宽一般与分子的吸收线宽同个量级，最大解调信号幅度对应的调制幅度为单个吸收峰线宽的2.2倍。由于各种因素的综合考虑，一般的调制幅度都比吸收线宽大，对应几个或几十个GHz，对应的空间相干长度降低为几厘米。在其他因素允许的情况下，增加调制幅度有利于降低干涉性周期结构的强度。

4. 增加一级透射光和二级透射光的空间分离，减少空间重合。当直入射时，入射角Θ=0，一级透射光和二级透射光在空间上完全重合，干涉信号强度大。倾斜窗口（图5所示），一级透射光和二级透射光会分开，其分开距离为:

                                                    

其中，n为折射率，d为窗口厚度，Θ为入射角，增加入射角和窗口厚度都有利于二者的空间分离。与把传统平行窗口简单倾斜的做法比，图5所示窗口保证其侧面与安装表面密切粘合，机械稳定性高，有效防止采样气体泄漏到光学部分，损坏激光器和探测器，破坏校准状态，使得校准不再有效。

5. 改变具有平行表面的光学部件的厚度d。除了改变分开距离之外，d也会改变干涉条纹的周期。一般的厚度为1-2mm, 在整个扫描内范围内只出现一个周期或者一个周期的局部结构，不会方便的辨别出来其光干涉的本质，常常被误认为别的因素导致，花费大量的精力研究。随着温度的变化，光谱基线还会左右移动，对目标分析物的光谱干扰，影响测量精度。增加厚度，增大光斑的分离距离，也增加干涉的频率，,在扫描范围内会出现多个周期型结构，加大其与实际光谱结构的周期差别，降低基线结构和光谱结构的线性相关度。利用曲线拟合和滤波等成熟的数学技术就可消除其影响。但是增加厚度也会增加透射光束的水平偏移，需要综合考虑。

破坏表面的平滑度，让反射光和由之而来的二级透射光与一级透射光不再维持固定的相位关系，破坏其相干性，如在其中一个表面采用散射片(Diffuser)设计。其中抛光型的散射片与喷砂型的散射片相比，表面具有更大的均匀性，因而具有更大的优势。在安装这些散射片时，抛光面应该远离光源，避免散射光对光源的干扰，影响频率的温度性。如磨砂玻璃散射片作为光学窗口。

Claims (5)

1.一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特征在于：包括以下步骤的至少一种：

（1）破除光学部件表面的平行性，同时维持入射光和透射光的同向性；

（2）光学部件外设置增透膜，通过加强增透膜的透射率，进一步降低光学窗口的反射率；

（3）降低光源的相干性；

（4）增加一级透射光和二级透射光的空间分离，减少空间重合；

（5）改变具有平行表面的光学部件的厚度d；

（6）破坏表面的平滑度。

2.一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法中的光学部件，其特征在于：光学部件的两个外表面对应的倾斜角相同。

3.根据权利要求2所述的用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特征在于：光学部件包括上楔形、下楔形及中间标准的平行面的窗口。

4.根据权利要求2所述的用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特征在于：光学部件包括两个相同的楔形窗口。

5.根据权利要求2所述的用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特征在于：光学部件的外表面与侧面并不正交。