CN105572099A - 基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置 - Google Patents

基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，气体室外光路上同轴依次放置的第一反射镜，三棱镜、高压氦氖管，高压氦氖管输出的激光通过三棱镜到垂直光路的反射镜上，被反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直入射进气体室，进入的激光在焦点共心的两个凹面镜之间反复折射后，从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第二反射镜上，激光被第二反射镜反射回气体室内，再次进入两个凹面镜之间反复折射，多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块处理信号送计算机分析生成拉曼频谱图。采用共心腔镜，提高了光线强度。能同时在线测量多种气体。

Description

基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置
技术领域
本发明涉及一种气体检测方法，特别涉及一种基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置。
背景技术
石油，天然气等能源的开采存在着大量的混合气体，如何有效地将油气混合气体中不同气体检测分离出来是油气开采中的关键。气体检测的目的主要有以下三点：一是直接发现油气层；二是做好有毒有害气体的监测预警；三是发现非烃类气体矿藏。传统的检测方法，如气相色谱技术，存在着不能连续检测，且维护费用大的问题，而红外光谱技术，有限的检测范围也使其只能应用与相应环境下。因此，寻求一种有效的气体检测方法，该方法应能连续有效地分辨出多种气体，并有着较高的精度，对石油化工的发展有着极大的意义。拉曼光谱技术的应用使之成为可能。
发明内容
本发明是针对现在能源的开采中传统气体检测技术存在的问题，提出了一种基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，能同时在线测量多种气体。
本发明的技术方案为：一种基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，包括两个反射镜，三棱镜，两端带布鲁斯特窗的高压氦氖管，气体室，光谱仪模块，气体室上下进出气管，两个焦点共心的凹面镜，气体室外光路上同轴依次放置的第一反射镜，三棱镜、高压氦氖管，高压氦氖管输出的激光通过三棱镜到垂直光路的反射镜上，被反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直窗口入射进入气体室，进入的激光在两个凹面镜之间反复折射后，从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第二反射镜上，激光被第二反射镜反射回气体室内，再次进入两个凹面镜之间反复折射，多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块处理信号送计算机分析生成拉曼频谱图。
所述高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。
所述三棱镜按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。
所述光谱仪模块依次包括滤光片、单色仪以及传感器，接收的混合光中拉曼信号99%被滤光片透过后，单色仪收集光谱能量后送传感器。
本发明的有益效果在于：本发明基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，结合有源腔增强技术和拉曼气体检测技术，采用有源腔，避免了无源腔的结构松散。采用共心腔镜，提高了光线强度。系统具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能同时在线测量多种气体，并进行实时在线分析。整个系统紧凑，可靠性高，检测效果优良，有较好的操作性。
附图说明
图1为本发明基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置结构示意图，101、102为反射镜；201为三棱镜；301为两端带布鲁斯特窗的高压氦氖管；401为气体室；501为光谱仪模块；601、602为进出气管；701、702为凹面镜。采用有源谐振腔产生激光，气体室外光路上同轴依次放置的反射镜101，三棱镜201、高压氦氖管301，高压氦氖管301输出的激光通过三棱镜201到垂直光路的反射镜101，被反射后经过三棱镜201和高压氦氖管301从气体室401一侧窗口垂直窗口入射进入气体室401，进入的激光在两个凹面镜701和702之间反复折射后，从气体室401另一侧窗口出射到气体室401外正对气体室401开口的反射镜201上，激光再次被反射回气体室401内，进入两个凹面镜701和702之间反复折射返回，形成循环。气体室401上边有进气管601，下面有出气管602，光谱仪501位于气体室401上面，采集气体室401内的信号。光谱仪501位于腔镜共心点正上方，有利于最大程度采集出反应后的混合光。
具体实施过程：波长为632.8nm的氦氖激光从高压氦氖管振荡产生，光路依次经过反射镜101，三棱镜201，进入密闭气体室。在气体室中，光线先到达凹面镜701，反射至凹面镜702，然后经过多次反射后从凹面镜702出射至反射镜102，再经凹面镜102反射回原光路，形成光路循环。多路气体由气体室401上的进气口进入气体室401，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过光谱仪模块被收集，光谱仪模块包括滤光片、单色仪以及传感器，滤光片滤去大部分的杂散光，单色仪将收集到的光信号送由传感器检测，最后由计算机系统进行分析生成拉曼频谱图。本系统成功实现了包含氧气和氮气的混合气体在线即时检测。本系统具有结构紧凑，反射腔镜成共心，稳定性好，可靠性上佳，便于操作；能同时测量多种气体，灵敏度高，适应性强，便于维护等特点。先开激光再输入气体，测试是在密封状态下进行的,一边放入气体，一边进行实时测试。
避免了无源腔结构的宽泛，具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能实现在线实时测量和多路气体同时检测。整个系统操作便捷，易于维护，稳定性上佳。
所述平面反射镜101、102的反射率高达95%，反射镜与光路成90度，能够有效地将决大部分光反射至下一反射镜。
所述凹面镜701和702反射率高达99%，根据腔内光增益公式（1+R）/T（R，T为凹面镜的反射率和透射率），当反射率高达99%时，腔内增益为199，能将绝大部分光反射下一反射镜。
所述高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。
所述三棱镜201按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。
所述光谱仪模块由滤光片、单色仪以及传感器构成。滤光片对于拉曼信号的透过率为99%，而其它光线仅有5%的透过率。单色仪较好地收集光谱能量，而传感器及后续检测器件则对光谱进行分析与检测。
凹面镜701和702，它们的焦点共心。相对于先前不共心的腔镜设计，光线来回反射的次数每一循环增添数十次。使激光强度由原来仅增强数倍变为增强数十倍，利于拉曼信号的产生。

Claims (4)

1.一种基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，其特征在于，包括两个反射镜，三棱镜，两端带布鲁斯特窗的高压氦氖管，气体室，光谱仪模块，气体室上下进出气管，两个焦点共心的凹面镜，气体室外光路上同轴依次放置的第一反射镜，三棱镜、高压氦氖管，高压氦氖管输出的激光通过三棱镜到垂直光路的反射镜上，被反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直窗口入射进入气体室，进入的激光在两个凹面镜之间反复折射后，从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第二反射镜上，激光被第二反射镜反射回气体室内，再次进入两个凹面镜之间反复折射，多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块处理信号送计算机分析生成拉曼频谱图。
2.根据权利要求1所述基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，其特征在于，所述高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。
3.根据权利要求1所述基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，其特征在于，所述三棱镜按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。
4.根据权利要求1所述基于共心腔镜的激光拉曼气体检测装置，其特征在于，所述光谱仪模块依次包括滤光片、单色仪以及传感器，接收的混合光中拉曼信号99%被滤光片透过后，单色仪收集光谱能量后送传感器。
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