CN104713866A - 一种宽带cars 探测1δ氧装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带CARS探测¹Δ氧装置及其使用方法，包含一个脉冲激光器和宽带染料激光器，脉冲激光器输出的泵浦激光经分束镜后一部分入射到染料激光器产生宽带染料激光，另一部分泵浦激光经全反镜和二相色镜后与宽带染料激光合束，随后经光腔透光孔聚焦在光腔内部，在光腔内发生四波混频产生相干反斯托克斯（CARS）光，CARS光经低通滤波片后由波长分析仪接收采集。该装置采用宽带染料激光器，可同时得到基态氧和delta氧的CARS光谱信号，因此可根据两者的反斯托克斯光信号强度比，确定delta氧的含量。采用宽带染料激光器的配置还可以实现对一种或一类具有相似拉曼活性的气体快速在线检测，提高检测效率。

Description

一种宽带CARS 探测1Δ氧装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及光谱探测装置，具体是涉及一种宽带CARS探测¹Δ氧装置及其使用方法。

背景技术

氧碘激光器中的气体浓度及分布规律的测量，对于氧碘激光动力学过程研究和性能提高都非常重要。目前采用的探测手段主要是自发拉曼散射法，激光诱导荧光等，但自发拉曼散射法获得的拉曼谱线较弱，因此需要多次累加才能获得一个拉曼频移信号，而且由于外界杂散光的干扰，信噪比很差；激光诱导荧光法理论上可行，但激发态氧的荧光部分处在碘荧光的覆盖区间，因此难以获得准确的结果。目前激发态氧的浓度测量存在较大困难，也给氧碘激光器的动力学研究设置了障碍。

发明内容

针对¹Δ氧的探测难题，提出了一种采用相干反斯托克斯拉曼光谱技术，实现对¹Δ氧和基态氧同时探测，并根据两者的拉曼线强度比值来实现¹Δ氧的快速在线检测。结合附图，详细说明本发明采用的技术方案如下：

一种宽带CARS探测¹Δ氧装置，主要由一个脉冲激光器、宽带染料光器、分束镜、第一全反镜和第二全反镜、二相色镜、聚焦透镜、光腔、第一低通滤波片和波长分析仪组成；

所述光腔为中空腔体，光腔上的两相对侧分别开设透光孔，透光孔用高透镜密封；光腔壁面上设有进气口和出气口；高透镜为高透光率镜片。

所述脉冲激光器的出光口外侧由近及远依次放置分束镜和宽带染料光器，从脉冲激光器发出的光经分束镜后分为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入宽带染料光器入光口后，从宽带染料光器的出光口发出染料光，染料光走过的路线称为染料光路；所述二相色镜、聚焦透镜、光腔、第一低通滤波片和波长分析仪距离宽带染料光器由近及远依次设置在染料光路上；染料光透过二相色镜、聚焦透镜、光腔上的两个透光孔上的高透镜、第一低通滤波片后进入到波长分析仪的入光口；

所述侧光路上设置有第一全反镜和第二全反镜，第一全反镜和第二全反镜放置在宽带染料光器的旁边，并置于主光路和染料光路外；侧光经第一全反镜和第二全反镜反射后，照射到二相色镜靠近聚焦透镜一侧上，经二相色镜反射后，与染料光重合；

所述聚焦透镜的靠近光腔一侧的焦点落于光腔内部，所述聚焦透镜的两个焦点的连线与染料光路重合。

优选的，所述宽带CARS探测¹Δ氧装置中，所述第一低通滤波片和波长分析仪之间设置第二低通滤波片，第二低通滤波片与染料光路垂直。

优选的，所述宽带CARS探测¹Δ氧装置中，所述波长分析仪为光谱仪、单色仪、干涉仪中的一种。

优选的，所述宽带CARS探测¹Δ氧装置中，所述光腔通过进气口和出气口连接在含有¹Δ氧的气体通道上，光腔的进气口与含¹Δ氧气体通道的上游相连通，光腔的出气口与含¹Δ氧通道的下游相连通。

一种静态宽带CARS探测¹Δ氧装置的使用方法，包括：

1、通过光腔进气口向光腔内充入含有¹Δ氧待测气体；

2、设定宽带染料光器，使宽带染料光器的泵浦光和出射光的单光子能量差介于1450-1650cm^-1之间；

3、设定脉冲激光器，使脉冲激光器发出介于300nm-550nm波长的光；

4、打开脉冲激光器；

5、通过波长分析仪读出测试值。

一种动态宽带CARS探测¹Δ氧装置的使用方法，包括：

1、设定宽带染料光器，使宽带染料光器的泵浦光和出射光的单光子能量差介于1450-1650cm^-1之间；

2、设定脉冲激光器，使脉冲激光器发出介于300nm-550nm波长的光；

3、打开脉冲激光器；

4、通过波长分析仪读出测试值。

本发明优点为：

本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，可以实现对一种或一类具有相似拉曼活性的气体快速在线检测，提高检测效率。

该装置采用宽带染料光器，可同时得到基态氧和delta氧的CARS光谱信号，因此可根据两者的反斯托克斯光信号强度比，确定delta氧的含量。采用宽带染料光器还可以实现对一种或一类具有相似拉曼活性的气体快速在线检测，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明的宽带CARS探测¹Δ氧装置结构示意图。

图中：1-脉冲激光器，2-分束镜，3-宽带染料光器，4-第一全反镜，5-第二全反镜，6-二相色镜，7-聚焦透镜，8-透光孔，9-光腔，10-第一低通滤波片，11-第二低通滤波片，12-波长分析仪。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，波长分析仪12为波长光谱仪，所述脉冲激光器1的出光口外侧由近及远依次放置分束镜2和宽带染料激光器3，从脉冲激光器1发出的光经分束镜2后分为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入宽带染料激光器3入光口后，从宽带染料激光器3的出光口发出染料光，染料光走过的路线称为染料光路；所述二相色镜6、聚焦透镜7、光腔9、第一低通滤波片10和波长光谱仪距离宽带染料激光器3由近及远依次设置在染料光路上；染料光透过二相色镜6、聚焦透镜7、光腔9上的两个透光孔8上的高透镜、第一低通滤波片10后进入到波长光谱仪的入光口；

所述侧光路上设置有第一全反镜4和第二全反镜5，第一全反镜4和第二全反镜5放置在宽带染料激光器3的旁边，并置于主光路和染料光路外；侧光经第一全反镜4和第二全反镜5反射后，照射到二相色镜6靠近聚焦透镜7一侧上，经二相色镜6反射后，与染料光重合；

所述聚焦透镜7的靠近光腔9一侧的焦点落于光腔9内部，所述聚焦透镜7的两个焦点的连线与染料光路重合。

所述第一低通滤波片10和波长光谱仪之间设置第二低通滤波片11，第二低通滤波片11与染料光路垂直。

通过以下操作方式进行测量，

1）通过光腔9进气口向光腔9内充入含有¹Δ氧待测气体；

2）设定宽带染料激光器3，使宽带染料激光器3的泵浦光和出射光的单光子能量差介于1450-1650cm^-1之间；

3）设定脉冲激光器1，使脉冲激光器1发出介于300nm-550nm波长的光；

4）打开脉冲激光器1；

5）通过波长光谱仪读出测试值。

具体步骤如下：

1）设定宽带染料光器3的染料，用浓度1:1配置的罗丹明6G和罗丹明B混合溶液，使宽带染料光器3输出波长范围为576‐582nm的宽带染料光。

2）设定脉冲激光器1，使脉冲激光器1发出532nm波长的激光，典型单脉冲激光能量为100mJ，其中70mJ泵浦染料光，产生20mJ的染料光；该染料光作为斯托克斯光与剩下的30mJ的532nm激光合束后入射到光腔，并在光腔中某一位置处聚焦，在该处与¹Δ氧发生非线性作用，产生CARS信号光。

3）通过波长分析仪12读出测得的CARS光信号，并与基态氧气产生的CARS信号比较，获得该位置处¹Δ氧含量信息。

4）调整光路或光腔位置，改变激光聚焦位置，重复1）‐3）过程，测得另一位置处的1Δ氧含量信息，经不断改变聚焦位置，可测得多处的¹Δ氧信息。

脉冲激光器1为YAG激光器，输出532nm的脉冲激光，该脉冲激光经分束镜2后分为两束，分别为主光和侧光，其中主光中含有70%的能量，主光透过分束镜2泵浦宽带染料光器3，宽带染料光器3输出中心波长580nm附近的宽带脉冲激光，称为染料光，该染料光的线宽及中心位置可选择，典型值是中心波长580nm，带宽200cm^-1。分束镜2分出的侧光经第一全反镜4和第二全反镜5后，照射到二相色镜6靠近聚焦透镜7的一侧后，和染料光重合。本实施例中，主光的532nm激光作为泵浦光，宽带染料光作为¹Δ氧和基态氧的斯托克斯光，同时作为探测光，采用共线型相位匹配方式，侧光的532nm激光和染料光都通过聚焦透镜7在光腔9内待测点的位置聚焦，探测焦点及其附近区域的氧含量。泵浦光（532nm）和斯托克斯光及探测光（580nm宽带）在焦点处产生四波混频现象，输出一束新的波长的CARS光。

CARS光产生原理为：能量为ω₁、ω₂的两束激光入射到拉曼活性介质上，当ω₁-ω₂=ΔEv时（ΔEv为拉曼特征谱线的光子能量，也是拉曼活性的振动能级能量差），就能产生共振增强效应，激发出一束光子能量为ω₃=2ω₁-ω₂的反斯托克斯光，该反斯托克斯光具有很好的方向性，相比自发拉曼光强度可以提高5到6个量级，因此更容易探测。

在光腔内产生的CARS光与泵浦光，斯托克斯光一起经透光孔8输出，其中泵浦光和斯托克斯光被第一低通滤波片10滤除，CARS信号光则经过第一低通滤波片10后输入到光谱仪中进行分析，为提高滤光效率，较少泵浦光和斯托克斯光干扰，可在加一个第二低通滤波片11，还可以减小杂散光干扰并保护光谱仪。

光谱仪采集到的相干反斯托克斯拉曼光谱图中包含¹Δ氧和基态氧的反斯托克斯特征峰，可以反映¹Δ氧和基态氧的含量或浓度之间的相对关系，并能探测该相对关系随时间的变化，在总氧含量已知的情况下，就可以获得两者的绝对值。另外，还可以通过改变泵浦光和斯托克斯光的聚焦位置，来探测不同位置处¹Δ氧含量信息，绘制¹Δ氧的分布信息。

由于相干反斯托克斯拉曼散射的强度大，方向性好，因此可以实现单次脉冲探测，在现有高重频脉冲激光器条件下，可以实现对光腔内¹Δ氧含量的实时动态快速探测。

Claims (6)

1.一种宽带CARS探测^1Δ氧装置，主要由一个脉冲激光器（1）、宽带染料激光器（3）、分束镜（2）、第一全反镜（4）和第二全反镜（5）、二相色镜（6）、聚焦透镜（7）、光腔（9）、第一低通滤波片（10）和波长分析仪（12）组成，其特征在于：

所述光腔（9）为中空腔体，光腔（9）上的两相对侧分别开设透光孔（8），透光孔（8）用高透镜密封；光腔（9）壁面上设有进气口和出气口；

所述脉冲激光器（1）的出光口外侧由近及远依次放置分束镜（2）和宽带染料激光器（3），从脉冲激光器（1）发出的光经分束镜（2）后分为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入宽带染料激光器（3）入光口后，从宽带染料激光器（3）的出光口发出染料光，染料光走过的路线称为染料光路；所述二相色镜（6）、聚焦透镜（7）、光腔（9）、第一低通滤波片（10）和波长分析仪（12）距离宽带染料激光器（3）由近及远依次设置在染料光路上；染料光透过二相色镜（6）、聚焦透镜（7）、光腔（9）上的两个透光孔（8）上的高透镜、第一低通滤波片（10）后进入到波长分析仪（12）的入光口；

所述侧光路上设置有第一全反镜（4）和第二全反镜（5），第一全反镜（4）和第二全反镜（5）放置在宽带染料激光器（3）的旁边，并置于主光路和染料光路外；侧光经第一全反镜（4）和第二全反镜（5）反射后，照射到二相色镜（6）靠近聚焦透镜（7）一侧上，经二相色镜（6）反射后，与染料光重合；

所述聚焦透镜（7）的靠近光腔（9）一侧的焦点落于光腔（9）内部，所述聚焦透镜（7）的两个焦点的连线与染料光路重合。

2.根据权利要求1所述的宽带CARS探测¹Δ氧装置，其特征在于：所述第一低通滤波片（10）和波长分析仪（12）之间设置第二低通滤波片（11），第二低通滤波片（11）与染料光路垂直。

3.根据权利要求1所述的宽带CARS探测¹Δ氧装置，其特征在于：所述波长分析仪（12）为光谱仪、单色仪、干涉仪中的一种。

4.根据权利要求1所述的宽带CARS探测¹Δ氧装置，其特征在于：所述光腔（9）通过进气口和出气口连接在含有¹Δ氧的气体通道上，光腔（9）的进气口与含¹Δ氧气体通道的上游相连通，光腔（9）的出气口与含¹Δ氧气体通道的下游相连通。

5.一种权利要求1-3所述任一种宽带CARS探测¹Δ氧装置的使用方法，其特征在于：

1）通过光腔（9）进气口向光腔（9）内充入含有¹Δ氧待测气体；

2）设定宽带染料激光器（3），使宽带染料激光器（3）的泵浦光和出射光的单光子能量差介于1450-1650cm^-1之间；

3）设定脉冲激光器（1），使脉冲激光器（1）发出介于300nm-550nm波长的光；

4）打开脉冲激光器（1）；

5）通过波长分析仪（12）读出测试值。

6.一种权利要求4所述的宽带CARS探测¹Δ氧装置的使用方法，其特征在于：

1）设定宽带染料激光器（3），使宽带染料激光器（3）的泵浦光和出射光的单光子能量差介于1450-1650cm^-1之间；

2）设定脉冲激光器（1），使脉冲激光器（1）发出介于300nm-550nm波长的光；

3）打开脉冲激光器（1）；

4）通过波长分析仪（12）读出测试值。