CN104880411B - 一种谐振腔内石英音叉气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，包括谐振腔、吸收腔、石英音叉探测器、调制器、放大器单元和主机，谐振腔与吸收腔可一体或分体设置；石英音叉探测器包括共振管和石英音叉，置于吸收腔内，吸收腔上设有气口，用于吸收腔的抽真空以及待测气体的充入；检测光经过调制器后由入射窗口入射到吸收腔中，在谐振腔内发生共振，吸收腔中的气体分子吸收检测光并激发声波从而引起石英音叉的振动，石英音叉的信号放大后输入主机中进行数据采集，获得吸收腔内待测气体物质浓度数据。本发明装置谐振腔内部的光强远大于腔外的光强，而石英音叉的探测灵敏度又与光强成正比，因此本发明气体检测装置具有更高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，使用石英音叉通过光声光谱实现气体检测。
背景技术
分子光谱学的气体检测技术具有灵敏度高、选择性好、可实时在线检测等优点，近年来备受人们关注，尤其是光声光谱，更是具有对光源波长无选择性而被广泛应用。光声光谱法是基于光声效应发展起来的光谱技术。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应；若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，即为光声光谱。
传统的光声光谱采用麦克风对声波进行探测，2002年美国莱斯大学率先使用石英音叉代替麦克风，使得装置的体积大大减小，取得了理想的效果。目前的石英音叉式气体检测装置还可进一步提高检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有更高检测灵敏度的谐振腔内石英音叉气体检测装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，包括谐振腔、吸收腔、石英音叉探测器、调制器、放大器单元和主机，其中：外部入射或内部泵浦激发的激光在所述谐振腔内振荡，以该激光作为检测光；所述吸收腔与谐振腔一体或分立设置，吸收腔为留有气口的密封腔体，位于检测光光路中，所述调制器在检测光光路中置于吸收腔前端；所述石英音叉探测器位于吸收腔内，包括共振管和石英音叉；共振管轴线与所述检测光光路同轴，共振管下部有一个开口槽；石英音叉位于所述开口槽处，其两个振臂分置于共振管轴线两侧，振臂平面与共振管轴线平行；所述石英音叉信号输出端连接放大器单元，放大器单元连接主机进行数据采集处理。
一种优选的，所述吸收腔与谐振腔分体设置，吸收腔位于谐振腔内，吸收腔两端分别设置透光的前窗口和后窗口，振荡的检测光经前窗口和后窗口入射吸收腔。
优选的，还包括泵浦光源和聚焦透镜，所述谐振腔内包括钛宝石晶体，所述泵浦光源发出的泵浦光经聚焦透镜入射所述钛宝石晶体，钛宝石晶体在谐振腔内出射激光，该激光为所述检测光。
优选的，所述谐振腔为四镜Z型折叠腔，谐振腔由两端第一反射镜和输出镜构成，中段设置转折光路的第二反射镜和第三反射镜；所述钛宝石晶体位于所述第二反射镜和第三反射镜之间，泵浦光透过第二反射镜入射至钛宝石晶体；所述吸收腔位于第三反射镜和输出镜之间。
优选的，所述第二反射镜和第三反射镜为曲率半径相同的凹面镜，用于在转折谐振光路的同时起到聚焦作用。
优选的，谐振腔内还设置有成布鲁斯特角的棱镜对，在谐振光路中补偿色散。
另一种优选的，所述吸收腔与谐振腔一体，吸收腔两端平行设置前平面反射镜和后平面反射镜，两反射镜构成F-P型谐振腔；检测光自前平面反射镜入射，在两反射镜间形成振荡。
作为上述所有技术方案的优选，所述放大器单元由前置放大器和锁相放大器组成，石英音叉信号输出端连接前置放大器，锁相放大器同时连接调制器、主机和前置放大器。调制器的调制频率为f0/2的整数倍，其中f0是石英音叉的共振频率，调制器的调制频率信号被输入到锁相放大器中作为参考信号，石英音叉的信号首先被输入到前置放大器中，然后再输入到锁相放大器中依据参考信号检波，锁相放大器中的信号输入到主机中进行数据采集。
优选的，所述调制器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。
本发明提供一种具有谐振腔的固态激光器或F-P腔结构的光谱检测装置，激光在谐振腔内部形成共振态，且只有小部分光透射出腔体，从而在谐振腔内的光强会远远大于腔外的光强，石英音叉探测器位于充满待测气体的密封的腔体内，由于石英音叉的探测灵敏度又与光强成正比，所以本发明提供的装置具有更高的灵敏度。
附图说明
图1为实施例1气体检测装置中的光路结构示意图；
图2为本发明所述气体检测装置中的石英音叉探测器放大结构立体图；
图3为实施例1气体检测装置整体结构示意图；
图4为实施例2气体检测装置吸收腔结构示意图；
图5为实施例2气体检测装置整体结构示意图。
其中：
1：谐振腔；1-1：泵浦光源；1-2：聚焦透镜；1-3：钛宝石晶体；1-4：棱镜对；2：吸收腔；2-1：气口；3：石英音叉探测器；3-1：共振管；311：开口槽；3-2：石英音叉；321：振臂；4：调制器；5：信号放大单元；5-1：前置放大器；5-2：锁相放大器；6：主机；
M1：第一反射镜；M2：第二反射镜；M3：第三反射镜；M4：输出镜；W1：前窗口镜；W2：后窗口镜；R1：前平面反射镜；R2：后平面反射镜；
A：检测光；P：泵浦光。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
实施例1
如图1所示是本实施例的光学部分基本结构图，本实施例使用钛宝石激光器提供谐振腔1，谐振腔1采用四镜Z型折叠腔，吸收腔2位于谐振腔1中。
钛宝石激光器主要由三个部分组成：泵浦光源1-1、增益介质和谐振腔1，本实施例增益介质采用钛宝石晶体1-3。由泵浦光源1-1所发射的泵浦光P入射到钛宝石晶体1-3上产生粒子数反转，射出激光，作为检测光A；第一反射镜M1和输出镜M4构成谐振腔1，第一反射镜M1为平面镜；腔内两个曲率半径相同的凹面镜，为第二反射镜M2和第三反射镜M3，两个反射镜在谐振腔1光路中起到聚焦作用；此外，在谐振腔1内有专门的色散补偿装置，即一组成布鲁斯特角的棱镜对1-4，本实施例中棱镜对1-4放在第二反射镜M2和第一反射镜M1之间。
其中，泵浦光P的波长为532nm或者514nm，输出镜M4对钛宝石激光的透过率为5％，第一反射镜M1和第三反射镜M3对钛宝石激光全反射，第二反射镜M2对泵浦光P高透，对检测光A高反，泵浦光P入射到第二反射镜M2时首先由一个聚焦透镜1-2聚焦；石英音叉探测器3就位于第三反射镜M3和输出镜M4之间的吸收腔2内。
如图2所示是石英音叉探测器3的结构立体图。石英音叉探测器3主要由一支石英音叉3-2和一个共振管3-1组成，石英音叉3-2有两个振臂321，振臂321平面与谐振腔1平行，石英音叉3-2受到外部的激励后两个振臂321会产生往复振动。石英音叉3-2下部有两个电极，一个与信号地连接，另外一个连接信号放大单元5用于输出因振动而产生的电信号。石英音叉3-2的两个振臂321位于共振管3-1下部一个开口槽311处，共振管3-1的轴线与检测光A光路同轴，检测光A通过共振管3-1时被待测物质吸收，由于待测物质的碰撞退激释放声能，声能在共振管3-1中逐步积累，再传递给石英音叉3-2引起两个振臂321的振动，然后通过压电效应把机械振动能转换为电信号，而电信号的强度正比于被检测物质成分的浓度。一般四反射镜式的钛宝石激光器腔内的激光光束直径为6mm左右，所以共振管3-1的直径也要大于6mm，但是由于使用不同的激光器腔内部的光束直径也不同，所以共振管3-1的具体参数也要根据具体情况而定，在本实施例中不对尺寸做任何的限定。
图3是本实施例整个检测装置的结构图。在吸收腔2中放置有共振管3-1和石英音叉3-2，腔内的检测光A首先通过调制器4，调制器4的调制频率为f0/2的整数倍，其中f0是石英音叉的共振频率，本实施例中该共振频率为32.76kHz。调制器4的调制频率信号被输入到锁相放大器5-2中作为参考信号，在谐振腔1内振荡的检测光A透过吸收腔2的前窗口镜W1和后窗口镜W2入射到吸收腔2中，再被吸收腔2中的气体分子吸收而激发声波引起石英音叉3-2的振动，石英音叉3-2的信号首先被输入到前置放大器5-1中，然后再输入到锁相放大器5-2中，锁相放大器5-2中的信号输入到主机6中进行数据采集。另外，整个吸收腔2为密封设置，前窗口镜W1和后窗口镜W2均对钛宝石激光高透，在吸收腔2上设有气口2-1，用于吸收腔2的抽真空以及待测气体的充入。
调制器可以是电光调制器、声光调制器、磁光调制器。
实施例2
本实施例采用F-P型谐振腔结构，吸收腔2与谐振腔1一体，如图4所示。吸收腔2的两端有平行的前平面反射镜R1和后平面反射镜R2，都对检测光A具有高反射率，构成F-P腔；设置两个反射镜之间的距离，可使腔体满足共振条件，uN＝(c/2L)*(N+θ/π)时，其中uN是纵模在频率坐标上的间隔，c为光速，L为腔长，N为自然数，θ为光波被反射一次后的相位改变，此时谐振腔1中的驻波强度达到最大。当腔内的检测光A产生共振时，其光强至少为输入光强的10倍，且前平面反射镜R1和后平面反射镜R2的反射率越高，腔内的光强越强。
图5是本实施例整个检测装置的结构图。入射检测光A在被吸收腔2中的气体分子吸收而激发声波引起石英音叉3-2的振动，石英音叉3-2的信号首先被输入到前置放大器5-1中，然后再输入到锁相放大器5-2中，锁相放大器5-2中的信号输入到主机6中进行数据采集。另外，整个吸收腔2为密封设置，在吸收腔2上设有气口2-1，用于吸收腔2的抽真空以及待测气体的充入。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，其特征在于：包括谐振腔(1)、吸收腔(2)、泵浦光源(1-1)、聚焦透镜(1-2)、石英音叉探测器(3)、调制器(4)、信号放大单元(5)和主机(6)，其中：
内部泵浦激发的激光在所述谐振腔(1)内振荡，以该激光作为检测光(A)；所述吸收腔(2)与谐振腔(1)分体设置，吸收腔(2)为留有气口(2-1)的密封腔体，位于检测光(A)光路中，所述调制器(4)在检测光(A)光路中置于吸收腔(2)前端；
所述吸收腔(2)位于谐振腔(1)内，吸收腔(2)两端分别设置透光的前窗口镜(W1)和后窗口镜(W2)，振荡的检测光(A)经前窗口镜(W1)和后窗口镜(W2)入射吸收腔(2)；所述谐振腔(1)内包括钛宝石晶体(1-3)，所述泵浦光源(1-1)发出的泵浦光(P)经聚焦透镜(1-2)入射所述钛宝石晶体(1-3)，钛宝石晶体(1-3)在谐振腔(1)内出射激光，该激光为所述检测光(A)；所述谐振腔(1)为四镜Z型折叠腔，第一反射镜(M1)和输出镜(M4)分别设置在谐振腔(1)的两端，中段设置转折光路的第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)；所述钛宝石晶体(1-3)位于所述第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)之间，泵浦光(P)透过第二反射镜(M2)入射至钛宝石晶体(1-3)；所述吸收腔(2)位于第三反射镜(M3)和输出镜(M4)之间；
所述石英音叉探测器(3)位于吸收腔(2)内，包括共振管(3-1)和石英音叉(3-2)；共振管(3-1)轴线与所述检测光(A)光路同轴，共振管(3-1)下部有一个开口槽(311)；石英音叉(3-2)位于所述开口槽(311)处，其两个振臂(321)分置于共振管(3-1)轴线两侧，振臂(321)平面与共振管(3-1)轴线平行；
所述石英音叉(3-2)信号输出端连接信号放大单元(5)，信号放大单元(5)连接主机(6)进行数据采集处理。
2.根据权利要求1所述的谐振腔内石英音叉气体检测装置，其特征在于：所述第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)为曲率半径相同的凹面镜。
3.根据权利要求1所述的谐振腔内石英音叉气体检测装置，其特征在于：谐振腔(1)内还设置有成布鲁斯特角的棱镜对(1-4)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的谐振腔内石英音叉气体检测装置，其特征在于：所述信号放大单元(5)由前置放大器(5-1)和锁相放大器(5-2)组成，石英音叉(3-2)信号输出端连接前置放大器(5-1)，锁相放大器(5-2)同时连接调制器(4)、主机(6)和前置放大器(5-1)。
5.根据权利要求1至3任一项所述的谐振腔内石英音叉气体检测装置，其特征在于：所述调制器(4)为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。
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