CN105651703B - 一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法 - Google Patents

一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，它包括以下步骤：S1、入射激光束从平面高反镜透射后垂直入射到第一块平凹高反镜上，然后被平面高反镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜上并被原路反射回平面反射镜，形成光腔衰荡；或者，入射激光束从第一块平凹高反镜透射后垂直入射到第二块平凹高反镜上，并被原路反射回第一块平凹高反镜，形成光腔衰荡；S2、从光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器上，光电探测器探测光学谐振腔的衰荡信号；S3、通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长，重复步骤S2，测量两个或两个以上不同光学谐振腔腔长L下光学谐振腔的总损耗。

Description

一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法
技术领域
本发明涉及气体消光系数测量的技术领域，特别是一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法。
背景技术
目前，随着我国经济的快速发展，工业化的加速，环境污染问题日益加剧，尤其近些年出现的光化学污染和灰霾细颗粒物污染日趋严重。这些有害污染物严重影响着人民的生活和健康，环境监测就变得尤为重要。大气中含浮的各种固体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物以及云雾和雨雪等粒子对地球大气辐射收支平衡、全球气候和人类健康有着重要影响。大气的光学特性与其基本物理化学特性有关，因此大气光学特性(如消光系数)的测量就变得尤为重要。光腔衰荡技术由O’Keefe在1988提出，具有检测限低、灵敏度高等优点，广泛应用于气体消光系数的高灵敏测量中。与传统的基于分光光度法的消光系数测量方法相比，光腔衰荡技术测量的是腔衰荡时间而不是光强度，不受光源光强度波动的影响，因而具有更高的测量灵敏度。
中国专利申请号201410765366.8的发明专利“一种应用于痕量气体浓度和气溶胶消光同时测量的腔增强吸收光谱装置及方法”、中国专利申请号201310087153.X的发明专利“双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法”、中国专利申请号200910092865.4的发明专利“基于量子级联激光器的红外光腔衰荡光谱痕量气体检测方法”、以及气溶胶消光系数测量相关文献(如H.Moosmuller,R.Varma,and W.P.Arnott,“Cavity ring-down and cavity-enhanced detection techniques for themeasurement of aerosol extinction,”Aerosol Sci.Technol.,39(1),30–39(2005)、A.W.Strawa,R.Castaneda,T.Owano,D.S.Baer,and B.A.Paldus,“The measurement ofaerosol optical properties using continuous wave cavity ring-downtechniques,”Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 20,454-465(2003)等)中，在测量消光系数时都采用了密封样品池和复杂的气路系统，在测试样品之前都需要先测量消光系数为零的参考气体光学谐振腔以消除仪器背景对测量结果的影响。光腔衰荡光谱技术常用消除背景的方法是先在密封样品池内充入无损耗的惰性气体(如氮气)以扣除背景影响。采用密封样品池和复杂气路系统不仅使测量装置变得复杂，而且可能因为气体置换不完全等原因而导致测量误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光腔衰荡测量气体消光系数需要密封样品池、需要测量背景和气体样品需要通过气路系统采样等缺点，提供一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，该方法采用折叠型光学谐振腔测量装置对光腔衰荡气体消光系数进行测量，该测量装置由半导体连续激光光源、光学谐振腔、聚焦透镜、光电探测器、数据采集卡、计算机、函数发生器以及一维电控位移台组成，光学谐振腔由凹面曲率半径为r的第一块平凹高反镜、第二块平凹高反镜和平面高反镜组成，所述的平面高反镜倾斜于光轴设置，第一块平凹高反镜垂直于光轴设置，第二块平凹高反镜安装在一维电控位移台上；或者由凹面曲率半径为r的第一块平凹高反镜和第二块平凹高反镜组成，所述的第一块平凹高反镜垂直于光轴设置，第二块平凹高反镜安装在一维电控位移台上；该光腔衰荡气体消光系数测量方法包括以下步骤：
步骤S1、将脉冲激光或光强周期调制的连续激光入射到放置于待测气体环境的光学谐振腔上，入射激光束从平面高反镜透射后垂直入射到第一块平凹高反镜上，激光束被第一块平凹高反镜反射后按原路返回至平面高反镜上，然后被平面高反镜再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜上并被反射回平面反射镜，形成光腔衰荡；或者，入射激光束从第一块平凹高反镜透射后垂直入射到第二块平凹高反镜上，并被反射回第一块平凹高反镜，形成光腔衰荡；
步骤S2、从光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜聚焦到光电探测器上，光电探测器探测光学谐振腔的衰荡信号，当采用脉冲激光时，光电探测器直接记录光学谐振腔的光腔衰荡信号，光腔衰荡信号再经数据采集卡传递到计算机上并存储；当采用光强周期调制的连续激光时，且光学谐振腔的衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录光学谐振腔的衰荡信号，或在调制信号的下降沿记录光学谐振腔的衰荡信号，由衰荡信号得到衰荡时间τ，进而得到光学谐振腔的总损耗αtotal，总损耗αtotal根据公式计算得到，其中R为高反腔镜的平均反射率，c为光速，L为光学谐振腔腔长；
步骤S3、通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长，重复步骤S2，测量两个或两个以上不同光学谐振腔腔长L下光学谐振腔的总损耗，通过两个光学谐振腔腔长L下的损耗值差值或两个以上光学谐振腔腔长L下损耗值与光学谐振腔腔长L之间关系的线性拟合的斜率，即可得到待测气体消光系数为其中αtotalL1和αtotalL2分别为光学谐振腔腔长为L1和L2时的总损耗。
其中，所述的脉冲激光和连续激光均可由半导体激光器、固体激光器、气体激光器或染料激光器中任意一种产生。
其中，所述的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0<L≤2r。
其中，所述的触发关断入射激光束可通过以下方式之一实现：
a.采用连续半导体激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；
b.采用连续半导体或固体激光器或气体激光器或染料激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和入射高反射腔镜之间采用快速光开关来关闭激光束；
c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光激励电源时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束。
其中，所述的光学谐振腔的衰荡时间τ由光电探测器测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得出，其中A和B均为常系数。
其中，所述的通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长时，光学谐振腔的对准不发生改变。
其中，所述的通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长时，腔长总改变量不少于0.1米，且位置控制精度优于0.1毫米。
其中，所述的激光器为单波长激光器或可调谐激光器。
其中，所述的快速光开关为电光调制开关或声光调制开关。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用开放式光腔，不需要采样，可以直接在待测气体环境中测量，避免了采样带来的误差。
(2)本发明装置简单，不需要密封样品池和复杂的气路系统。
(3)本发明不需要测量背景信号，不需要标定直接获得待测气体消光系数绝对值。
附图说明
图1为折叠型光学谐振腔测量装置的结构示意图；
图2为直型光学谐振腔测量装置示意图；
图3为图2的另一种结构示意图；
图4为利用图1装置测量洁净实验室空气在不同腔长下的衰荡时间和总损耗；
图中，1-半导体连续激光光源，2-第一块平凹高反镜，3-第二块平凹高反镜，4-聚焦透镜，5-光电探测器，6-数据采集卡，7-计算机，8-函数发生器，9-一维电控位移台，10-平面高反镜，11-快速光开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例一，如图1所示，一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，它采用折叠型光学谐振腔测量装置对光腔衰荡气体消光系数进行测量，该测量装置由半导体连续激光光源1、光学谐振腔、聚焦透镜4、光电探测器5、数据采集卡6、计算机7、函数发生器8以及一维电控位移台9组成，光学谐振腔由凹面曲率半径为r的第一块平凹高反镜2、第二块平凹高反镜3和平面高反镜10组成，所述的半导体连续激光光源1与函数发生器8之间顺次连接有平面高反镜10、第一块平凹高反镜2、聚焦透镜4、光电探测器5、数据采集卡6和计算机7，半导体连续激光光源1与计算机7相连接，所述的平面高反镜10倾斜于光轴设置，第一块平凹高反镜2垂直于光轴设置，第二块平凹高反镜3安装在一维电控位移台9上，第一块平凹高反镜2、第二块平凹高反镜3和平面高反镜10在半导体连续激光光源1输出波长处的反射率大于99％，光腔衰荡气体消光系数测量方法包括以下步骤：
步骤S1、将脉冲激光或光强周期调制的连续激光入射到放置于待测气体环境的光学谐振腔上，入射激光束从平面高反镜10透射后垂直入射到第一块平凹高反镜2上，激光束被第一块平凹高反镜2反射后按原路返回至平面高反镜10上，然后被平面高反镜10再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜3上；
步骤S2、从光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜4聚焦到光电探测器5上，光电探测器5探测光学谐振腔的衰荡信号，当采用脉冲激光时，光电探测器5直接记录光学谐振腔的光腔衰荡信号，光腔衰荡信号再经数据采集卡6传递到计算机7上并存储；当采用光强周期调制的连续激光时，且光学谐振腔的衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录光学谐振腔的衰荡信号，或在调制信号的下降沿记录光学谐振腔的衰荡信号，由衰荡信号得到衰荡时间τ，进而得到光学谐振腔的总损耗αtotal，总损耗αtotal根据公式计算得到，其中R为高反腔镜的平均反射率，c为光速，L为光学谐振腔腔长；
步骤S3、通过控制一维电控位移台9改变第二块平凹高反镜3位置改变光学谐振腔腔长，重复步骤S2，测量两个或两个以上不同光学谐振腔腔长L下光学谐振腔的总损耗，通过两个光学谐振腔腔长L下的损耗值差值或两个以上光学谐振腔腔长L下损耗值与光学谐振腔腔长L之间关系的线性拟合的斜率，即可得到待测气体消光系数为其中αtotalL1和αtotalL2分别为光学谐振腔腔长为L1和L2时的总损耗；
所述的脉冲激光和连续激光均可由半导体激光器、固体激光器、气体激光器或染料激光器中任意一种产生，所述的激光器为单波长激光器或可调谐激光器。
所述的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0<L≤2r。
所述的触发关断入射激光束可通过以下方式之一实现：a.采用连续半导体激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；b.采用连续半导体或固体激光器或气体激光器或染料激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和入射高反射腔镜之间采用快速光开关来关闭激光束；c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光激励电源时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束，所述的快速光开关为电光调制开关或声光调制开关。
所述的光学谐振腔的衰荡时间τ由光电探测器5测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得出，其中A和B均为常系数；所述的通过控制一维电控位移台9改变第二块平凹高反镜3位置改变光学谐振腔腔长时，光学谐振腔的对准不发生改变；所述的通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长时，腔长总改变量不少于0.1米，且位置控制精度优于0.1毫米。
测量洁净实验室环境下不同腔长下的衰荡时间τ和总损耗αtotal，实验结果如图4所示。测得实验室空气的消光系数为10.85ppm·m-1。
实施例二：第一块平凹高反镜2和第二块平凹高反镜3垂直光轴放置，且使激光束从镜面中心通过，激光束从第一块平凹高反镜2进入谐振腔，随着激光束注入，谐振腔能量逐渐增加，当入射激光束被迅速关断后，光学谐振腔内能量会由于腔镜透射而减小，部分激光能量从第二块平凹高反镜3输出，然后由聚焦透镜4聚焦到光电探测器5，由光电探测器5输出信号并由数据采集卡6记录，然后输入计算机7并且存储，通过一维电控位移台9改变第一、第二平凹高反镜的位置，从而测量出不同光学谐振腔腔长下的衰荡信号。
实施例三：半导体连续激光光源1采用连续半导体激光器或固体激光器或气体激光器或染料激光器，在激光器和入射腔镜之间加入快速光开关11，由计算机控制。当采集到的输出信号幅值大于阈值时阈值通常设定为最大幅值的80％-90％左右，触发光开关关闭输入激光束。

Claims (9)

1.一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，该方法采用折叠型或直型光学谐振腔测量装置对光腔衰荡气体消光系数进行测量，该测量装置由激光光源(1)、光学谐振腔、聚焦透镜(4)、光电探测器(5)、数据采集卡(6)、计算机(7)、函数发生器(8)以及一维电控位移台(9)组成，折叠型光学谐振腔由凹面曲率半径为r的第一块平凹高反镜(2)、第二块平凹高反镜(3)和平面高反镜(10)组成，或者，直型光学谐振腔由凹面曲率半径为r的第一块平凹高反镜(2)和第二块平凹高反镜(3)组成，所述的激光光源(1)与函数发生器(8)之间顺次连接有平面高反镜(10)、第一块平凹高反镜(2)、聚焦透镜(4)、光电探测器(5)、数据采集卡(6)和计算机(7)，激光光源(1)与计算机(7)相连接，所述的平面高反镜(10)倾斜于光轴设置，第一块平凹高反镜(2)垂直于光轴设置，第二块平凹高反镜(3)安装在一维电控位移台(9)上，其特征在于：该光腔衰荡气体消光系数测量方法包括以下步骤：
步骤S1、将脉冲激光或光强周期调制的连续激光入射到放置于待测气体环境的光学谐振腔上，入射激光束从平面高反镜(10)透射后垂直入射到第一块平凹高反镜(2)上，激光束被第一块平凹高反镜(2)反射后按原路返回至平面高反镜(10)上，然后被平面高反镜(10)再次反射，反射光垂直入射到第二块平凹高反镜(3)上并按原路反射回平面高反镜(10)上，形成光腔衰荡；或者，入射激光束从第一块平凹高反镜(2)透射后垂直入射到第二块平凹高反镜(3)上，并按原路反射回第一块平凹高反镜(2)上，形成光腔衰荡；
步骤S2、从光学谐振腔透射的激光由聚焦透镜(4)聚焦到光电探测器(5)上，光电探测器(5)探测光学谐振腔的衰荡信号，当采用脉冲激光时，光电探测器(5)直接记录光学谐振腔的光腔衰荡信号，光腔衰荡信号再经数据采集卡(6)传递到计算机(7)上并存储；当采用光强周期调制的连续激光时，且光学谐振腔的衰荡信号幅值超过设定阈值时，触发关断入射激光束，记录光学谐振腔的衰荡信号，或在调制信号的下降沿记录光学谐振腔的衰荡信号，由衰荡信号得到衰荡时间τ，进而得到光学谐振腔的总损耗αtotal，总损耗αtotal根据公式计算得到，其中R为高反腔镜的平均反射率，c为光速，L为光学谐振腔腔长；
步骤S3、通过控制一维电控位移台(9)改变第二块平凹高反镜(3)位置改变光学谐振腔腔长，重复步骤S2，测量两个或两个以上不同光学谐振腔腔长L下光学谐振腔的总损耗，通过两个光学谐振腔腔长L下的损耗值差值或两个以上光学谐振腔腔长L下损耗值差值与光学谐振腔腔长L之间关系的线性拟合的斜率，即可得到待测气体消光系数为其中αtotalL1和αtotalL2分别为光学谐振腔腔长为L1和L2时的总损耗，ΔL为光学谐振腔腔长L1和L2的差值。
2.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的脉冲激光和连续激光均可由半导体激光器、固体激光器、气体激光器或染料激光器中任意一种产生。
3.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，总腔长L满足0<L≤2r。
4.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的触发关断入射激光束可通过以下方式之一实现：
a.采用连续半导体激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，快速关闭半导体激光器激励电流或电压；
b.采用连续半导体或固体激光器或气体激光器或染料激光器时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，在激光器和入射高反射腔镜之间采用快速光开关来关闭激光束；
c.采用方波调制快速光开关，或方波调制激光激励电源时，当光学谐振腔输出信号幅值高于设定阈值时，利用方波下降沿来关闭激光束。
5.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的光学谐振腔的衰荡时间τ由光电探测器(5)测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得出，其中A和B均为常系数，t为时间。
6.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的通过控制一维电控位移台(9)改变第二块平凹高反镜(3)位置改变光学谐振腔腔长时，光学谐振腔的对准不发生改变。
7.根据权利要求1所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的通过控制一维电控位移台改变第二块平凹高反镜位置改变光学谐振腔腔长时，腔长总改变量不少于0.1米，且位置控制精度优于0.1毫米。
8.根据权利要求2所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的激光器为单波长激光器或可调谐激光器。
9.根据权利要求4所述的一种基于腔长改变的光腔衰荡气体消光系数测量方法，其特征在于：所述的快速光开关为电光调制开关或声光调制开关。
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