CN106124411A - 一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及痕量物质光谱探测领域，公开了一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，包括激励光源、反射物体、凹面镜、碳纳米管复合材料光声换能器、石英音叉、耦合器、光纤激光器、光电探测器和数据处理系统，所述激励光源和反射物体在同一光路上，所述凹面镜设置在反射物体出射线路上，所述碳纳米管复合材料光声换能器位于凹面镜焦点处，所述石英音叉位于碳纳米管复合材料光声换能器焦点处，所述石英音叉与光纤端面形成法珀腔，所述耦合器与光纤相连，所述光纤激光器通过光纤与耦合器相连，所述耦合器通过光纤依次连接光电探测器和数据处理系统。本发明还公开了一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测方法，实现多种痕量物质远距离探测。
Description
技术领域
本发明涉及痕量物质光谱探测技术领域，特别是一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置及方法。
背景技术
痕量物质远距离探测技术的发展对于爆炸物的远距离探测、有毒有害物质检测以及空气质量监测等具有重要的意义。激光红外光谱技术具有光谱分辨率高、测量范围广、响应速度快等优点，已成为当前发展远痕量物质探测探测技术的一种非常重要的选择。一般来说激光红外光谱技术主要包括可调谐二极管激光吸收光谱技术、激光光声光谱技术、激光光热光谱技术、基于微悬臂梁的激光光热光谱技术等。其中，激光光声光谱技术由于具有探测灵敏度高、动态响应范围大以及响应速度快等优点，成为了痕量物质探测技术的主要发展方向
之一。
提高激光光声光谱探测技术的探测范围和探测灵敏度的方法通常包括光声池的优化设计以及高灵敏度新型传感器的设计两个方面。例如，Harren 等人通过理论分析和实验研究对纵向共振光声池结构进行了优化设计，并完成了C2H2 气体的探测，其极限探测灵敏度高达6ppt。V.Koskinen 等采用微悬臂梁作为光声光谱探测系统的声传感器，完成对CO2 气体探测对象，得到其归一化等效噪声系数为1.7×10-10cm-1·W·Hz-1/2。特别是美国Rice 大学的Anatoliy A.Kosterev 等在2002年采用具有极高品质因数的石英音叉作为声传感器，首次提出了石英增强型光声光谱探测系统，极大地增加了系统对环境噪声的抗干扰能力，因此受到了研究工作者的极大关注，对此进行了深入的探索研究，并广泛应用于各种痕量物质探测中。上述方法采用光声池作为声信号增强器件，仅能对被测物质进行接触式近距离探测，因此极大地限制了对爆炸物、有毒有害物质的探测。
美国马里兰大学的XingChen 等使用位于远处的抛物面反射镜将物质吸收光能产生的声波汇聚到麦克风，在室内安静环境中，完成了12米处的异丙醇蒸气探测实验，其信噪比大于10dB。但是方法仅在实验室处于安静环境中有效，当应用于开放环境中时，极易受到环境噪声的干扰，极大降低了探测灵敏度。美国橡树岭国家实验室的Van Neste等提出了一种基于石英音叉的距离激光光声光谱探测系统。被远处样品吸收后的剩余脉冲激光照射到的石英音叉叉壁上，使之发生振动从而可得到被测物的成分及浓度。该系统对20m 处的样品探测极限为100ng·cm-2。但是石英音叉自身材料的红外吸收效率较低，且吸收光谱范围较窄，对光强进行直接探测时存在光能利用率较低和光谱吸收范围较窄等缺点，因此其探测灵敏度较低，且只能完成对某一种或几种特定物质的探测，无法在超宽光谱范围内实现多种物质探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置及方法。
本发明采用的技术方案如下： 一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，具体包括激励光源、反射物体、凹面镜、碳纳米管复合材料光声换能器、石英音叉、光纤、耦合器、光纤激光器、光电探测器和数据处理系统，所述激励光源和反射物体位于同一光路上，所述反射物体上附着待测物质，所述凹面镜设置在反射物体的出射线路上，所述碳纳米管复合材料光声换能器位于凹面镜焦点处，所述碳纳米管复合材料光声换能器包括碳纳米管复合材料层，所述碳纳米管复合材料层包括碳纳米管阵列层和涂覆在碳纳米管阵列层右侧表面的聚二甲基硅氧烷层，所述碳纳米管阵列层面向凹面镜，所述石英音叉位于碳纳米管复合材料光声换能器焦点处，所述石英音叉的叉指表面与第一光纤端面形成粗精度法珀腔，所述耦合器与第一光纤相连，所述光纤激光器通过第二光纤与耦合器相连，所述光电探测器通过第三光纤与耦合器相连，所述光电探测器电信号输出端与数据处理系统相连。
进一步地，所述碳纳米管复合材料光声换能器还包括红外玻璃和支撑结构，所述红外玻璃为曲面结构，所述碳纳米管阵列层左侧采用化学沉积法生长在红外玻璃的凹面，所述支撑结构与红外玻璃两端连接。
进一步地，所述碳纳米管阵列层在红外玻璃凹面方向的生长高度为3~5μ m，所述聚二甲基硅氧烷层采用旋涂法在碳纳米管阵列层表面的涂覆厚度为50~70nm。
进一步地，所述红外玻璃为硒化锌玻璃，所述硒化锌玻璃的透光范围为0.5~15μm。
进一步地，所述支撑结构由二氧化硅制成。
进一步地，所述激励光源采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出占空比范围为5~15%的脉冲调制激光。
进一步地，所述第一光纤6采用单模光纤。
一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测方法，具体包括以下步骤：步骤一、采用量子级联激光器作为激励光源将发出的脉冲调制激光照射到位于远处附着有待测物质的反射物体上；步骤二、使用凹面镜将反射物体2出射的光能焦距到具有曲面结构的碳纳米管复合材料光声换能器上；步骤三、采用碳纳米管阵列层和聚二甲基硅氧烷层作为所述碳纳米管复合材料光声换能器的吸光层和吸热层，所述聚二甲基硅氧烷层周期性膨胀获得与脉冲调制激光频率相同的声波；步骤四、将所述声波设置在石英音叉叉指的间隙中央使石英音叉叉指发生周期性振动；步骤五、采用第一光纤端面与石英音叉叉指表面构成法珀腔，所述石英音叉叉指的周期性振动带动法珀腔的腔长发生周期性变化；步骤六、测定在法珀腔的腔长发生周期性变化情况下单模光纤中干涉光的强度，再通过数据处理系统获取待测物质的光谱和浓度信息。
进一步地，上述方法还包括以下过程，所述干涉光先通过耦合器后经光纤进入光电探测器获得干涉信号，所述电信号输入到数据处理系统。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：采用碳纳米管阵列作为吸光层，在红外宽波段范围具有极高的吸光效率，可以使用一个传感器件实现多种物质的探测；采用石英音叉作为声信号探测元件，其具有极窄的频率响应带宽，能够极大地抑制周围环境噪声，因此该装置可以在开放空间中进行物质探测，非常适合在远距离范围内完成物质探测；形成法珀腔采用光纤法珀解调方式获取石英音叉叉指的振动信号，能够使该装置用于易燃易爆物质探测、适用于高温、高湿度等恶劣环境并实现远距离多点、组网探测。
附图说明
图1是本发明宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置结构示意图。
图2是本发明的碳纳米管复合材料光声换能器示意图。
图3是本发明声波与石英音叉位置关系示意图。
图4是本发明的石英音叉振动信号拾取示意图。
图5是本发明装置所探测到的水蒸气光声光谱信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1~4所述，一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，具体包括激励光源1、反射物体2、凹面镜3、碳纳米管复合材料光声换能器4、石英音叉5、光纤、耦合器7、光纤激光器9、光电探测器11和数据处理系统12，所述激励光源1和反射物体2位于同一光路上，所述反射物体2上附着待测物质，所述凹面镜3设置在反射物体2的出射线路上，所述碳纳米管复合材料光声换能器4位于凹面镜3焦点处，所述碳纳米管复合材料光声换能器4包括碳纳米管复合材料层，所述碳纳米管复合材料层包括碳纳米管阵列层42和涂覆在碳纳米管阵列层42右侧表面的聚二甲基硅氧烷层43，所述碳纳米管阵列层面42向凹面镜3，所述石英音叉5位于碳纳米管复合材料光声换能器4焦点处，所述石英音叉5的叉指表面511与第一光纤端面61形成粗精度法珀腔，所述耦合器7与第一光纤6相连，所述光纤激光器9通过第二光纤8与耦合器7相连，所述光电探测器11通过第三光纤10与耦合器7相连，所述光电探测器11电信号输出端与数据处理系统12相连，通过数据处理系统12获得待测物的光谱信息和浓度信息。
一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测方法，具体包括以下步骤：步骤一、采用量子级联激光器作为激励光源1将发出的脉冲调制激光照射到位于远处附着有待测物质的反射物体2上，此时光能经过待测物质吸收后会通过反射物体反射；步骤二、使用凹面镜3将反射物体2出射的光能焦距到具有曲面结构的碳纳米管复合材料光声换能器4上；步骤三、采用碳纳米管阵列层42和聚二甲基硅氧烷层43作为所述碳纳米管复合材料光声换能器4的吸光层和吸热层，所述聚二甲基硅氧烷层43周期性膨胀获得与脉冲调制激光频率相同的声波40,通过吸光层和吸热层将光能转化为热能再转化为声波；步骤四、将所述声波40设置在石英音叉5叉指的间隙中央使石英音叉叉指51和石英音叉叉指52发生周期性振动，；步骤五、采用第一光纤端面61与石英音叉叉指表面511构成法珀腔，所述石英音叉叉指51和石英音叉叉指52的周期性振动带动法珀腔的腔长发生周期性变化；步骤六、测定在法珀腔的腔长发生周期性变化情况下单模光纤中干涉光的强度，再通过数据处理系统12获取待测物质的光谱和浓度信息。上述方法还包括以下过程，所述干涉光先通过耦合器7后经光纤进入光电探测器11获得干涉信号，所述干涉信号输入到数据处理系统12。
所述碳纳米管复合材料光声换能器4还包括红外玻璃41和支撑结构44，所述红外玻璃41为曲面结构，使产生的声波被更好的聚焦到石英音叉叉指51和石英音叉叉指52间隙中央，所述碳纳米管阵列层42左侧采用化学沉积法生长在红外玻璃41的凹面，所述支撑结构44与红外玻璃两端连接。所述碳纳米管阵列层42在红外玻璃41凹面方向的生长高度为3~5μm，所述聚二甲基硅氧烷层43采用旋涂法在碳纳米管阵列层42表面的涂覆厚度为50~70nm。所述红外玻璃41为硒化锌玻璃，所述硒化锌玻璃的透光范围为0.5~15μm。所述支撑结构44由二氧化硅制成。从凹面镜3焦距的光能在碳纳米管复合材料光声换能器4上依次透过红外玻璃41、碳纳米管阵列层42和聚二甲基硅氧烷层43，所述碳纳米管阵列层42将光能转化成热能，所述聚二甲基硅氧烷层43将热能通过周期性膨胀转化成声波。
所述激励光源1采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出占空比范围为5~15%的脉冲调制激光，脉冲调制激光的频率与石英音叉5的共振频率相同，所述石英音叉5的共振频率为34.2kHz，输出激光的波长扫描范围包含了待测物质的吸收峰。
所述第一光纤6采用单模光纤，单模光纤适合远距离的传送，如图4所述，所述第一光纤端面61与石英音叉叉指51的外表面511之间形成一个腔长可变的粗精度法珀腔，第一光纤6中的光一部分在第一光纤端面61发生反射，另一部分照射到石英音叉叉指51的外表面511发生反射后进入第一光纤6，两部分光在第一光纤6里进行干涉；通过测量干涉光强的变化得到石英音叉叉指51和石英音叉叉指52的振动信息。
图5为采用本发明装置测量得到的水蒸气光声光谱信号示意图，对量子级联激光器进行波长扫描,其扫描范围包括作为水蒸气探测用吸收谱线所对应的波数7185.59731cm-1。在不同的吸收谱线处，水蒸气的吸收线强不同，水蒸气吸收后照射到音叉表面的剩余光强不同，从而引起的音叉振幅不同，因此根据振动幅度不同可以得到水蒸气的谱线信息；特别地，在吸收谱线处石英音叉5振动幅度最小，水蒸气吸收的光能最大。在波长扫描过程中得到依据朗伯-比尔定理，将探测得到的谱线信息与HITRAN等相关标准红外光谱数据库进行对比，从而得到被测物质的光谱和浓度信息。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：包括激励光源、反射物体、凹面镜、碳纳米管复合材料光声换能器、石英音叉、光纤、耦合器、光纤激光器、光电探测器和数据处理系统，所述激励光源和反射物体位于同一光路上，所述反射物体上附着待测物质，所述凹面镜设置在反射物体的出射线路上，所述碳纳米管复合材料光声换能器位于凹面镜焦点处，所述碳纳米管复合材料光声换能器包括碳纳米管复合材料层，所述碳纳米管复合材料层包括碳纳米管阵列层和涂覆在碳纳米管阵列层右侧表面的聚二甲基硅氧烷层，所述碳纳米管阵列层面向凹面镜，所述石英音叉位于碳纳米管复合材料光声换能器焦点处，所述石英音叉的叉指表面与第一光纤端面形成粗精度法珀腔，所述耦合器与第一光纤相连，所述光纤激光器通过第二光纤与耦合器相连，所述光电探测器通过第三光纤与耦合器相连，所述光电探测器电信号输出端与数据处理系统相连。
2.如权利要求1所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述碳纳米管复合材料光声换能器还包括红外玻璃和支撑结构，所述红外玻璃为曲面结构，所述碳纳米管阵列层左侧采用化学沉积法生长在红外玻璃的凹面，所述支撑结构与红外玻璃两端连接。
3.如权利要求2所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述碳纳米管阵列层在红外玻璃凹面方向的生长高度为3~5μm，所述聚二甲基硅氧烷层采用旋涂法在碳纳米管阵列层表面的涂覆厚度为50~70nm。
4.如权利要求3所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述红外玻璃为硒化锌玻璃，所述硒化锌玻璃的透光范围为0.5~15μm。
5.如权利要求4所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述支撑结构由二氧化硅制成。
6.如权利要求5所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述激励光源采用量子级联激光器，所述量子级联激光器输出占空比范围为5~15%的脉冲调制激光。
7.如权利要求6所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置，其特征在于：所述第一光纤6采用单模光纤。
8.一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、采用量子级联激光器作为激励光源将发出的脉冲调制激光照射到位于远处附着有待测物质的反射物体上；步骤二、使用凹面镜将反射物体2出射的光能焦距到具有曲面结构的碳纳米管复合材料光声换能器上；步骤三、采用碳纳米管阵列层和聚二甲基硅氧烷层作为所述碳纳米管复合材料光声换能器的吸光层和吸热层，所述聚二甲基硅氧烷层周期性膨胀获得与脉冲调制激光频率相同的声波；步骤四、将所述声波设置在石英音叉叉指的间隙中央使石英音叉叉指发生周期性振动；步骤五、采用第一光纤端面与石英音叉叉指表面构成法珀腔，所述石英音叉叉指的周期性振动带动法珀腔的腔长发生周期性变化；步骤六、测定在法珀腔的腔长发生周期性变化情况下单模光纤中干涉光的强度，再通过数据处理系统获取待测物质的光谱和浓度信息。
9.如权利要求8所述的宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测方法，其特征在于：所述干涉光先通过耦合器后经光纤进入光电探测器获得干涉信号，所述电信号输入到数据处理系统。
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