CN106680261A - 一种高灵敏度cars探测装置及使用方法 - Google Patents

一种高灵敏度cars探测装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种高灵敏度CARS探测装置，包含一个脉冲激光器和染料激光器，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染料激光合束，随后经光腔透光孔聚焦在光腔内部，利用多程池调节聚焦次数，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。该装置采用染料激光器，可得到待测气体的CARS光谱信号，确定待测气体的含量。采用染料激光器的配置可以实现对一种或一类具有相似拉曼活性的低浓度气体快速在线检测，提高检测效率。

Description

一种高灵敏度CARS探测装置及使用方法
技术领域
本发明涉及拉曼光谱探测装置，特别涉及在采用多程池的情况下，一种(相干反思托克斯拉曼散射)CARS探测装置及其使用方法。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射法(CARS)作为激光光谱诊断技术的一种，具有一些独特的优点：信号强度高，转换效率大于1％，因而灵敏度高；信号是相干光束，具有方向性，收集效率高，易于从其他光束中分离；信号产生于入射光频率的高频方向，不易受到荧光干扰。这些特点使其非常适合成为探测低浓度物质的良好方法。
多程池利用光多次通过测量池能在一个紧凑的装置内实现增长有效的路程长度。而且从光源射出的光被重复聚焦，目的是使长距离传输后发散效应最小化，发散效应在非点状光源和非理想准直系统中较为常见。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供了一种可调节聚焦次数的多程池CARS光谱技术，实现对低浓度气体探测，实现气体的快速在线检测，并且提高了探测灵敏度。结合附图，详细说明本发明采用的技术方案如下。
本发明的技术方案为一种可调节聚焦次数的多程池CARS探测气体装置，包括一个脉冲激光器、分束镜、染料激光器、二相色镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、凹面反射镜、第一打孔凹面反射镜、第二打孔凹面反射镜、滤波片和波长分析仪；当探测密闭体系或者流通管路中的气体时，可能需要使用气体池，气体池为位于第一打孔凹面反射镜和第二打孔凹面反射镜之间，此气体池可为中空结构，两侧分别开设透光孔，透光孔用窗口密封；气体池壁面上设有进气口和出气口。所述气体池通过进气口和出气口连接在含有待测气体通道上，气体池的进气口与含待测气体通道的上游相连通，气体池的出气口与含待测气体通道的下游相连通。
脉冲激光器发出的光经分束镜分成两束分别为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入染料激光器入光口后，从染料激光器出光口发出染料光，染料光走过的路线称为染料光路，染料光照射到二相色镜上；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染料激光器的一侧，并置于主光路和染料光路之外；侧光经过第一全反镜和第二全反镜反射后，照射到二相色镜上，再经二相色镜反射后，与透过二相色镜的染料光重合，称为混合光；混合光经凹面反射镜聚焦后从远离第二打孔凹面反射镜的第一打孔凹面反射镜一侧、通过第一打孔凹面反射镜上的孔进入第二打孔凹面反射镜和第一打孔凹面反射镜之间，经第二打孔凹面反射镜和第一打孔凹面反射镜来回反射后穿过第二打孔凹面反射镜上的孔，再经滤波片后进入波长分析仪。
凹面反射镜的焦点落在第二打孔凹面反射镜和第一打孔凹面反射镜之间的反射区。
第一打孔凹面反射镜和第二打孔凹面反射镜上分别有一个通孔孔让光束通过，泵浦光和染料光从第一打孔凹面反射镜的通孔中进入反射腔，并在第一打孔凹面反射镜和第二打孔凹面反射镜构成的反射腔中多次来回反射聚焦，最后从第二打孔凹面反射镜的圆孔中输出。第一打孔凹面反射镜和第二打孔凹面反射镜构成可以调节聚焦次数的近共心腔。
本发明所采用的波长分析仪可以是但不仅限于光谱仪、单色仪或干涉仪。
混合光经第三全反镜和凹面反射镜聚焦后从远离第二打孔凹面反射镜的第一打孔凹面反射镜一侧、通过第一打孔凹面反射镜上的孔进入第二打孔凹面反射镜和第一打孔凹面反射镜之间。
本发明使用的染料激光器的泵浦光和出射光的单光子能量差范围覆盖待测气体振动或转动能级差，调节脉冲激光器发出合适波长的光，打开脉冲激光器，调整第一打孔反射镜和第二打孔反射镜的位置和角度，调整在作用区的聚焦次数。通过波长分析仪读出测试值。
附图说明
图1为本发明可调节聚焦次数的多程池CARS探测装置示意图。其中1-脉冲激光器，2-分束镜，3-染料激光器，4-二相色镜，5-第一全反镜，6-第二全反镜，7-第三全反镜，8-凹面反射镜，9-第一打孔凹面反射镜，10-第二打孔凹面反射镜，11-滤波片，12-波长分析仪。
图2为本发明可调节聚焦次数的多程池CARS探测装置示意图。其中1-脉冲激光器，2-分束镜，3-染料激光器，4-二相色镜，5-第一全反镜，6-第二全反镜，7-第三全反镜，8-凹面反射镜，9-第一打孔凹面反射镜，10-透光孔，11-气体池，12-第二打孔凹面反射镜，13-滤波片，14-波长分析仪。
具体实施方式
结合附图1说明本发明的具体实施方式。
实施例1：使用本发明测量空气中氧气浓度的具体实施方式。
详见附图1所示，本发明主要结构包括两部分：光谱仪部分：一个脉冲激光器1，一个分束镜2，一个染料激光器3，一个二相色镜4，第一全反镜5，第二全反镜6，第三全反镜7，凹面反射镜8，滤波片11和波长分析仪12；多程池部分：第一打孔凹面反射镜9，第二打孔凹面反射镜10。
第一打孔凹面反射镜9和第二打孔凹面反射镜10相对设置；
脉冲激光器1发出的光经分束镜2分成两束，分别为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入染料激光器3入光口后，从染料激光器3出光口发出染料光，染料光照射到二相色镜4上，染料光走过的路线称为染料光路；所述侧光路上设置有第一全反镜5和第二全反镜6，第一全反镜5和第二全反镜6放置在染料激光器3的一侧，并置于主光路和染料光路之外；侧光经过第一全反镜5和第二全反镜6反射后，照射到二相色镜4上，再经二相色镜4反射后，与透过二相色镜4的染料光重合，称为混合光；混合光经凹面反射镜8聚焦后从远离第二打孔凹面反射镜10的第一打孔凹面反射镜9一侧、通过第一打孔凹面反射镜9上的孔进入第二打孔凹面反射镜10和第一打孔凹面反射镜9之间，经第二打孔凹面反射镜10和第一打孔凹面反射镜9来回反射后穿过第二打孔凹面反射镜上10的孔，再经滤波片11后进入波长分析仪12。
所述凹面反射镜8的焦点落在第二打孔凹面反射镜10和第一打孔凹面反射镜9之间的反射区。
通过以下操作方式进行测量，
1)设定染料激光器3，使染料激光器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13读出测试值。
具体步骤如下：
1)设定染料光器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，使染料光器3输出波长范围为576-582nm的染料光。
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激光合束后入射到气体池，并在气体池中某一位置处聚焦，在该处与氧气发生非线性作用，产生CARS信号光。
3)通过波长分析仪12读出测得的CARS光信号，获得该位置处氧气含量信息。
4)调整第一打孔反射镜9和第二打孔反射镜10的位置和角度，调整在气体池11里的聚焦次数，提高CARS信号强度。
5)调整光路或气体池位置，改变激光聚焦位置，重复1)‐4)过程，测得另一位置处的氧气含量信息，经不断改变聚焦位置，可测得多处的氧气信息。
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泵浦染料光器3，染料光器3输出中心波长580nm附近的脉冲激光，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5和第二全反镜6后，照射到二相色镜4靠近第三全反镜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，染料光作为氧气的斯托克斯光，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凹面反射镜8在气体池11内待测点的位置聚焦，经过多程池结构中的第一打孔凹面反射镜9和第二打孔凹面反射镜10多次反射，在作用区聚焦多次，探测焦点及其附近区域的氧气含量。泵浦光(532nm)和斯托克斯光及探测光(580nm)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。
多程池的作用为：通过多次聚焦，增长了泵浦光和染料光与氧气的作用长度，增强了CARS信号。
在作用区内产生的CARS光与泵浦光，斯托克斯光一起经第二打孔凹面反射镜10输出，其中泵浦光和斯托克斯光被滤波片11滤除，为了提高滤光效率，减少泵浦光和斯托克斯光干扰可以在滤波片11后再加一个滤波片，CARS信号输入到波长分析仪中进行分析。
光谱仪采集到的相干反斯托克斯拉曼光谱图中包含氧气的反斯托克斯特征峰，并能探测该相对关系随时间的变化。另外还可以通过改变泵浦光和斯托克斯光的聚焦位置，来探测不同位置处氧气含量信息，绘制氧气的分布信息。
由于多程池的作用，多次聚焦使得泵浦光和染料光与氧气的作用长度增加，CARS信号强度比单次聚焦更强，可以提高探测灵敏度，实现低浓度氧气的探测。
由于相干反斯托克斯拉曼散射的强度大，方向性好，因此可以实现单脉冲探测，在现有高重频脉冲激光器条件下，可以实现对气体池内氧气含量的实时动态快速探测。
结合附图2说明本发明的具体实施方式。
实施例2：使用本发明测量气体池中1Δ氧和氧气浓度的具体实施方式。
详见附图2所示，本发明主要结构包括两部分：光谱仪部分：一个脉冲激光器1，一个分束镜2，一个染料激光器3，一个二相色镜4，第一全反镜5，第二全反镜6，第三全反镜7，凹面反射镜8，滤波片13，和波长分析仪14；多程池部分：第一打孔凹面反射镜9，透光孔10，气体池11，第二打孔凹面反射镜12。
第一打孔凹面反射镜9和第二打孔凹面反射镜12相对设置；
脉冲激光器1发出的光经分束镜2分成两束，分别为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入染料激光器3入光口后，从染料激光器3出光口发出染料光，染料光照射到二相色镜4上，染料光走过的路线称为染料光路；所述侧光路上设置有第一全反镜5和第二全反镜6，第一全反镜5和第二全反镜6放置在染料激光器3的一侧，并置于主光路和染料光路之外；侧光经过第一全反镜5和第二全反镜6反射后，照射到二相色镜4上，再经二相色镜4反射后，与透过二相色镜4的染料光重合，称为混合光；混合光经凹面反射镜8聚焦后从远离第二打孔凹面反射镜12的第一打孔凹面反射镜9一侧、通过第一打孔凹面反射镜9上的孔进入第二打孔凹面反射镜12和第一打孔凹面反射镜9之间，经第二打孔凹面反射镜12和第一打孔凹面反射镜9来回反射后穿过第二打孔凹面反射镜12上的孔，再经滤波片13后进入波长分析仪14。
所述凹面反射镜8的焦点落在第二打孔凹面反射镜12和第一打孔凹面反射镜9之间的反射区。
通过以下操作方式进行测量，
1)通过气体池11进气口向气体池11内充入含有1Δ氧待测气体；
2)设定染料激光器3，使染料激光器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14读出测试值。
具体步骤如下：
1)设定染料光器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，使染料光器3输出波长范围为576‐582nm的染料光。
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激光合束后入射到气体池，并在气体池中某一位置处聚焦，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15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)调整第一打孔反射镜9和第二打孔反射镜12的位置和角度，调整在气体池11里的聚焦次数，提高CARS信号强度。
5)调整光路或气体池位置，改变激光聚焦位置，重复1)‐4)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泵浦染料光器3，染料光器3输出中心波长580nm附近的脉冲激光，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5和第二全反镜6后，照射到二相色镜4靠近第三全反镜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，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凹面反射镜8在气体池11内待测点的位置聚焦，经过多程池结构中的第一打孔凹面反射镜9和第二打孔凹面反射镜12多次反射，在气体池11中聚焦多次，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)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。
多程池的作用为：通过多次聚焦，增长了泵浦光和染料光与1Δ氧和基态氧的作用长度，增强了CARS信号。
在气体池内产生的CARS光与泵浦光，斯托克斯光一起经透光孔10输出，其中泵浦光和斯托克斯光被滤波片13滤除，CARS信号输入到波长分析仪中进行分析。
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。
由于多程池的作用，多次聚焦使得泵浦光和染料光与1Δ氧和基态氧的作用长度增加，CARS信号强度比单次聚焦更强，可以提高探测灵敏度，实现低浓度1Δ氧的探测。
由于相干反斯托克斯拉曼散射的强度大，方向性好，因此可以实现单脉冲探测，在现有高重频脉冲激光器条件下，可以实现对气体池内1Δ氧含量的实时动态快速探测。

Claims (9)

1.一种高灵敏度CARS探测装置，包括脉冲激光器(1)，分束镜(2)，染料激光器(3)，二相色镜(4)，第一全反镜(5)，第二全反镜(6)，凹面反射镜(8)，第一打孔凹面反射镜(9)，第二打孔凹面反射镜(10)，滤波片(11)，和波长分析仪(12)组成，其特征在于：
第一打孔凹面反射镜(9)和第二打孔凹面反射镜(10)相对设置；
所述脉冲激光器(1)发出的光经分束镜(2)分成两束，分别为主光和侧光，主光和侧光所走过的路线分别称为主光路和侧光路；所述主光进入染料激光器(3)入光口后，从染料激光器(3)出光口发出染料光，染料光走过的路线称为染料光路，染料光照射到二相色镜(4)上；所述侧光路上设置有第一全反镜(5)和第二全反镜(6)，第一全反镜(5)和第二全反镜(6)放置在染料激光器(3)的一侧，并置于主光路和染料光路之外；侧光经过第一全反镜(5)和第二全反镜(6)反射后，照射到二相色镜(4)上、再经二相色镜(4)反射后，与透过二相色镜(4)的染料光重合，称为混合光；混合光经凹面反射镜(8)聚焦后从远离第二打孔凹面反射(10)镜的第一打孔凹面反射镜(9)一侧、通过第一打孔凹面反射镜(9)上的孔进入第二打孔凹面反射镜(10)和第一打孔凹面反射镜(9)之间，经第二打孔凹面反射镜(10)和第一打孔凹面反射镜(9)来回反射后穿过第二打孔凹面反射镜(10)上的孔，再经滤波片(11)后进入波长分析仪(12)。
2.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：
所述凹面反射镜(8)的焦点落在第二打孔凹面反射镜和第一打孔凹面反射镜之间的反射区。
3.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：
所述第一打孔凹面反射镜(9)和第二打孔凹面反射镜(10)上分别有一个通孔让光束通过；
泵浦光和染料光从第一打孔凹面反射镜(9)的通孔中进入反射腔，并在第一打孔凹面反射镜(9)和第二打孔凹面反射镜(10)构成的反射腔中多次来回反射聚焦，最后从第二打孔凹面反射镜(10)的圆孔中输出。
4.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：所述第一打孔凹面反射镜(9)和第二打孔凹面反射镜(10)构成可以调节聚焦次数的近共心腔。
5.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：所述波长分析仪(15)可以是但不仅限于光谱仪、单色仪或干涉仪。
6.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：当探测密闭体系或者流通管路中的气体时，可能需要使用气体池，气体池为位于第一打孔凹面反射镜(9)和第二打孔凹面反射镜(10)之间，此气体池可为中空结构，左右两侧分别开设透光孔，透光孔用窗口密封；气体池壁面上设有进气口和出气口。
7.根据权利要求6所述的CARS探测装置，其特征在于：所述气体池通过进气口和出气口连接在含有待测气体通道上，气体池的进气口与含待测气体通道的上游相连通，气体池的出气口与含待测气体通道的下游相连通。
8.根据权利要求1所述的CARS探测装置，其特征在于：混合光经第三全反镜(7)和凹面反射镜(8)聚焦后从远离第二打孔凹面反射镜(10)的第一打孔凹面反射镜(9)一侧、通过第一打孔凹面反射镜(9)上的孔进入第二打孔凹面反射镜(10)和第一打孔凹面反射镜(9)之间。
9.根据权利要求1-8任一所述种CARS探测装置的使用方法，其特征在于：
1)设定染料激光器(3)，使染料激光器(3)的泵浦光和出射光的单光子能量差范围覆盖待测气体振动或转动能级差；
2)设定脉冲激光器(1)，使脉冲激光器(1)发出合适波长的光；
3)打开脉冲激光器(1)；
4)调整第一打孔反射镜(9)和第二打孔反射镜(10)的位置和角度，调整在作用区的聚焦次数；
5)通过波长分析仪(12)读出测试值。
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