CN106872400B - 一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，该光腔衰荡光谱仪包括宽波段可调谐激光光源、光强调节系统、光路自动切换系统、光学谐振腔阵列和光强检测及数据采集系统；宽波段可调谐激光光源用于实现不同波长下激光的输出；光强调节系统用于对不同波长激光光强进行均一；光路自动切换系统用于使得经宽波段可调谐激光光源输出的各种波长的激光均能发射到相对应的某个波长范围的光学谐振腔阵列内的光学谐振腔中；光强检测及数据采集系统用于接收和记录经光学谐振腔阵列出射的激光，同时记录经宽波段可调谐激光光源输出的激光波长。本发明可以对350～870nm波长范围内的气溶胶光学性质进行高灵敏检测。
Description
技术领域
本发明是关于一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，涉及大气环境质量监测领域。
背景技术
光腔衰荡光谱是一种高灵敏的光谱检测手段，广泛应用于大气中痕量气体浓度和气溶胶消光特性的检测。在特定波长下，它可以根据气体的特征吸收检测气体的浓度，此外，在得知颗粒物的粒径和浓度后，也可应用于检测气溶胶的消光截面和折射率等参数。光腔衰荡光谱技术作为一种全新的、高灵敏的激光光谱技术，与传统吸收光谱中探测透射光强度的变化不同，光腔衰荡光谱测定的对象是光腔内光强衰减的速度。光在谐振腔内的强度随时间呈现自然指数衰减。对于一个给定的谐振腔，在一定的激光频率下，衰荡时间为一个定值。它只与谐振腔的腔长、高反镜的反射率和腔内介质的损耗有关，与入射光初始光强无关。这就避免了传统吸收光谱中光源光强波动对检测结果的影响。更为重要的是，由于光束在谐振腔内往返震荡，大大提高了光程。作为一种可提供长光程，对激光稳定性要求低，无需校准的绝对方法，光腔衰荡光谱无论在实验室研究以及外场观测都得到了广泛应用。
但是，目前所使用的光腔衰荡光谱多为单波长或覆盖很窄的波段，限制了它的广泛应用。单波长最多只能用于检测一种痕量气体，而且只能给出该波长下气溶胶的消光系数，无法给出宽波段范围内气溶胶光学性质的光谱分辨。然而，太阳光的波谱范围宽广，不同波段下气溶胶的光学性质却不尽相同，比如在紫外波段，很多有机气溶胶存在光吸收。另外，大部分气溶胶的折射率与波长相关，因此，覆盖宽波段的光腔衰荡光谱具有重要的应用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在350～870nm波长范围内的气溶胶光学性质的高灵敏检测的宽波段可调谐的光腔衰荡光谱。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，该光腔衰荡光谱仪包括宽波段可调谐激光光源、光强调节系统、光路自动切换系统、光学谐振腔阵列和光强检测及数据采集系统；所述宽波段可调谐激光光源用于实现不同波长下激光的输出；所述光强调节系统用于对不同波长激光光强进行均一；所述光路自动切换系统用于使得经所述宽波段可调谐激光光源输出的各种波长的激光均能发射到相对应某个波长范围的所述光学谐振腔阵列内的光学谐振腔中；所述光强检测及数据采集系统用于接收和记录经所述光学谐振腔阵列出射的激光，同时记录经所述宽波段可调谐激光光源输出的激光波长。
优选地，所述宽波段可调谐激光光源包括激光器、光参量振荡器和控制器，所述激光器将产生的泵浦激光发送到所述光参量振荡器，所述控制器根据试验所需波长控制所述光参量振荡器内的晶体和棱镜自动转到指定位置实现激光波长的选择性输出，同时所述控制器将所选择的波长信息发送到所述光强检测及数据采集系统的数据采集器内进行记录，经所述光参量振荡器输出的某一波长的激光发射到所述光强调节系统进行光强调节。
优选地，当所述光参量振荡器输出的激光为紫外光时，所述光强调节系统包括一光阑和一连续可调型中性密度滤波片，经所述光参量振荡器输出的激光发送到所述光阑收缩光束，经所述光阑出射的激光发射到所述光学谐振腔。
优选地，当所述光参量振荡器输出的激光为可见光或红外光时，所述光强调节光路包括一反射型中性密度滤波片、一光阑和一连续可调型中性密度滤波片，经所述光参量振荡器输出的激光先经所述反射型中性密度滤波片将光强进行一次衰减，经所述反射型中性密度滤波片出射光经所述光阑收缩光束后再经所述连续可调型中性密度滤波片调节光强发射到所述光路自动切换系统。
优选地，所述光路自动切换系统包括若干电动升降光路反射镜，每一所述电动升降光路反射镜均通过一升降镜架支撑固定，每一所述升降镜架均通过一电缆电连接所述控制器，所述升降镜架内置马达，经所述光强调节系统输出的激光反射到某一所述升降光路反射镜，所述控制器通过控制所述电缆调节相应所述升降镜架的降落或升起，从而使激光经某一电动升降光路反射镜反射进入相应的光学谐振腔。
优选地，所述光学谐振腔阵列包括若干纵向平行间隔设置的光学谐振腔，若干不同的所述光学谐振腔的两端固定设置有若干组不同波长的高反射镜片，每一所述光学谐振腔的腔体两端固定设置有用于放置所述高反射镜的可调高反镜架，位于两所述高反射镜的一侧下部别设置有吹扫气流管用于进入吹扫气流对所述高反射镜进行吹扫，对应所述高反射镜的位置，所述光学谐振腔上还分别设置有光腔进气口和光腔出气口，所述光学谐振腔体内部两侧还设置有隔离模块。
优选地，所述光强检测及数据采集系统包括与所述光学谐振腔数量相同的聚焦透镜、一分束光纤、一光电倍增管、一示波器和一数据采集器，经所述光学谐振腔出射的激光经所述聚焦透镜聚焦到所述分束光纤的中心，所述分束光纤将出射的激光汇集所述光电倍增管，经所述光电倍增管进行光电转换的信号分别发送到所述示波器和数据采集器，同时，所述控制器将经所述光参量振荡器输出的激光波长发送到所述数据采集器内。
优选地，所述数据采集器采用装设有高速数据采集卡的计算机。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有光路自动切换系统，使得经宽波段可调谐激光光源输出的各种波长的激光均能发射到相对应的某个波长范围的光学谐振腔阵列内的光学谐振腔中，因此可以实现在350～870nm波长范围内的气溶胶光学性质的高灵敏检测。2、本发明由于设置有宽波段可调谐激光光源，用于实现不同波长下激光的输出，通过光路自动切换系统可以测量多种痕量气体的浓度。3、本发明采用自动化控制，可实现不同波长下测量的快速切换也可以实现波段范围的自动扫描。本发明可以广泛应用于对350～870nm波长范围内的气溶胶光学性质进行高灵敏检测。
附图说明
图1是本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪的结构示意图；
图2是本发明的光学谐振腔的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
本发明提供的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，包括宽波段可调谐激光光源、光强调节系统、光路自动切换系统、光学谐振腔阵列和光强检测及数据采集系统。其中，宽波段可调谐激光光源用于实现不同波长下激光的输出，本发明的宽波段可调谐激光光源可以输出紫外光或可见光和红外光。光强调节系统用于实现不同波长激光光强的均一，避免某一波段下过大的光强损伤光学谐振腔中高反射镜镀膜。光路自动切换系统用于使得经宽波段可调谐激光光源输出的各种波长的激光均能发射到相对应的某个波长范围的光学谐振腔阵列内的光学谐振腔中。光强检测及数据采集系统用于接收和记录经光学谐振腔阵列出射的激光，同时记录经宽波段可调谐激光光源输出的激光波长。
在一个优选的实施例中，宽波段可调谐激光光源包括激光器1、光参量振荡器2和控制器3，本发明实施例中的激光器3可以采用Nd:YAG激光器，以此为例，不限于此，Nd:YAG激光器1将产生355nm的泵浦激光发送到光参量振荡器2，控制器3根据试验所需波长控制光参量振荡器2内的晶体和棱镜自动转到指定位置实现激光波长的选择性输出，同时控制器3将所选择的波长信息发送到光强检测及数据采集系统的数据采集器内进行记录，经光参量振荡器2输出的某一波长的激光经光强调节系统调节光强后并经两光路反射镜4反射进入到相应的光学谐振腔内。
在一个优选的实施例中，由于紫外波段激光能量较低，可以直接通过连续可调的方式进行光强衰减，当经光参量振荡器2输出的激光为紫外光时，光强调节系统包括一光阑5和一连续可调型中性密度滤波片6，经光参量振荡器2输出的激光发送到光阑5收缩光束，经光阑5出射的激光依次经两光路反射镜4发射到光学谐振腔。当经光参量振荡器2输出的激光为可见光或红外光，光强调节系统包括一反射型中性密度滤波片7、一光阑8和一连续可调型中性密度滤波片9，由于可见光或红外光能量较高，经光参量振荡器2输出的激光先经反射型中性密度滤波片7将光强进行一次衰减，经反射型中性密度滤波片7出射光经光阑8收缩光束后再经连续可调型中性密度滤波片9调节光强后发射到光路反射镜4。
在一个优选的实施例中，光路自动切换系统包括若干电动升降光路反射镜10，每一电动升降光路反射镜10均通过一升降镜架支撑固定，每一升降镜架均通过一电缆电连接控制器3，升降镜架内置高精度马达，可实现精准的位置切换和还原。当宽波段可调谐激光光源输出的为可见光或红外光时，经光强调节系统输出的激光经光路反射镜4反射到某一电动升降光路反射镜10，控制器3通过控制电缆调节相应升降镜架的降落或升起，从而使激光经某一电动升降光路反射镜10反射进入相应的光学谐振腔。当激光器的输出波长为λ时，控制器判断λ所属的波长范围，然后将该波长范围所对应的升降镜架控制信号输出为“1”，该升降镜架升起；将其他升降镜架的控制信号均输出为“0”，其他升降镜架降下。例如：如果经光参量振荡器输出的波长为540nm，则波长为515～570nm高反射镜片的光学谐振腔所对应的升降镜架升起，而所有其他升降镜架均降下，使波长为540nm激光通过，将激光反射进入此光学谐振腔体。当改变波长超出一组高反射镜片覆盖范围时，需要将光路在不同谐振腔之间切换，采用高精度马达控制的升降镜架来使激光通过或被反射，保证光路在切换后不受影响。
在一个优选的实施例中，如图2所示，光学谐振腔阵列包括纵向平行间隔设置的光学谐振腔11，本发明实施例中光学谐振腔的个数为7个，以此为例，不限于此，7个不同的光学谐振腔11的两端固定设置有7组不同波长的高反射镜片111。每一组高反射镜片111的反射率应在99.9％或以上，本发明的7个光学谐振腔所采用的高反射镜片111的波长分别为350～400nm、410～460nm、465～510nm、515～570nm、580～665nm、670～750nm、760～870nm，但不局限于以上波长范围。7个光学谐振腔11的结构完全相同，每一光学谐振腔11的腔体两端固定设置有用于放置高反射镜111的可调高反镜架112，可以通过微调螺丝113调节可调高反射镜架实现对高反射镜111位置的调节，位于两高反射镜111的一侧下部分别设置有吹扫气流管114用于进入吹扫气流对高反射镜111进行吹扫。对应高反射镜111的位置，光学谐振腔上还分别设置有光腔进气口115和光腔出气口116，为了防止高反射镜111被污染，光学谐振腔11内部两侧还设置有隔离模块117，用于将气溶胶气流与吹扫气流分开，从而进一步防止当气溶胶浓度很高或者流量很大时对高反射镜111的污染。
在一个优选的实施例中，如图1所示，光强检测及数据采集系统包括与光学谐振腔数量相同的聚焦透镜12、分束光纤13、光电倍增管14、示波器15和数据采集器16，经光学谐振腔11出射的激光经聚焦透镜12聚焦到分束光纤13的中心，分束光纤13将出射的激光汇集光电倍增管14，经光电倍增管14进行光电转换的信号分别发送到示波器15和数据采集器16，同时，控制器3将经光参量振荡器2输出的激光波长发送到数据采集器16内，数据采集器16可以采用采用装设有高速数据采集卡的计算机。
下面通过具体实施例详细说明本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪的测量原理。
本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪的测量方法基于朗伯-比尔定律，通过检测激光在光学谐振腔11内的高反射镜111之间多次反射后光强的衰减，计算光学谐振腔内11高反射镜111之间介质的消光系数。假设光电倍增管14所检测到的初始光强为I0，经过高反射镜111多次反射后，光强衰减为I0/e的时间即为衰荡时间。如果光学谐振腔11腔内为零空气，则将信号视为背景，消光系数为零，此时所监测到的衰荡时间为τ0。如果光学谐振腔11内存在气溶胶或吸收性气体，则消光系数增大，衰荡时间变短为τ。假设光腔进气口115与光腔出气口116之间的距离为l，两个高反射镜片111之间的距离为L，则计算介质的消光系数αext的公式为：
式中，c表示光速。
若采用本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪检测痕量气体，得知气体单位浓度吸收截面σabs的情况下，则可以通过Cgas＝αext/σabs计算气体浓度Cgas。例如：在380～420nm波长处，可以通过二氧化氮NO2分子的吸收截面(6*10-19cm2)和检测到的消光系数来计算污染气体NO2的浓度；同样地，在662nm波长处，也可以使用本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪来检测NO3自由基的浓度。
若采用本发明的宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪检测气溶胶，在得知气溶胶数浓度N的情况下，即可通过σext＝αext/N计算每一个气溶胶颗粒的消光截面σext，若得知气溶胶粒径，还可以进一步计算得到折射率，从而得到气溶胶的在不同波长下的消光特性。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，该光腔衰荡光谱仪包括宽波段可调谐激光光源、光强调节系统、光路自动切换系统、光学谐振腔阵列和光强检测及数据采集系统；
所述宽波段可调谐激光光源用于实现不同波长下激光的输出；
所述光强调节系统用于对不同波长激光光强进行均一；
所述光路自动切换系统用于使得经所述宽波段可调谐激光光源输出的各种波长的激光均能发射到相对应某个波长范围的所述光学谐振腔阵列内的光学谐振腔中；
所述光强检测及数据采集系统用于接收和记录经所述光学谐振腔阵列出射的激光，同时记录经所述宽波段可调谐激光光源输出的激光波长。
2.如权利要求1所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，所述宽波段可调谐激光光源包括激光器、光参量振荡器和控制器，所述激光器将产生的泵浦激光发送到所述光参量振荡器，所述控制器根据试验所需波长控制所述光参量振荡器内的晶体和棱镜自动转到指定位置实现激光波长的选择性输出，同时所述控制器将所选择的波长信息发送到所述光强检测及数据采集系统的数据采集器内进行记录，经所述光参量振荡器输出的某一波长的激光发射到所述光强调节系统进行光强调节。
3.如权利要求2所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，当所述光参量振荡器输出的激光为紫外光时，所述光强调节系统包括一光阑和一连续可调型中性密度滤波片，经所述光参量振荡器输出的激光发送到所述光阑收缩光束，经所述光阑出射的激光发射到所述光学谐振腔。
4.如权利要求2所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，当所述光参量振荡器输出的激光为可见光或红外光时，所述光强调节光路包括一反射型中性密度滤波片、一光阑和一连续可调型中性密度滤波片，经所述光参量振荡器输出的激光先经所述反射型中性密度滤波片将光强进行一次衰减，经所述反射型中性密度滤波片出射光经所述光阑收缩光束后再经所述连续可调型中性密度滤波片调节光强发射到所述光路自动切换系统。
5.如权利要求4所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，所述光路自动切换系统包括若干电动升降光路反射镜，每一所述电动升降光路反射镜均通过一升降镜架支撑固定，每一所述升降镜架均通过一电缆电连接所述控制器，所述升降镜架内置马达，经所述光强调节系统输出的激光反射到某一所述升降光路反射镜，所述控制器通过控制所述电缆调节相应所述升降镜架的降落或升起，从而使激光经某一电动升降光路反射镜反射进入相应的光学谐振腔。
6.如权利要求2或3或4或5所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，所述光学谐振腔阵列包括若干纵向平行间隔设置的光学谐振腔，若干不同的所述光学谐振腔的两端固定设置有若干组不同波长的高反射镜片，每一所述光学谐振腔的腔体两端固定设置有用于放置所述高反射镜的可调高反镜架，位于两所述高反射镜的一侧下部别设置有吹扫气流管用于进入吹扫气流对所述高反射镜进行吹扫，对应所述高反射镜的位置，所述光学谐振腔上还分别设置有光腔进气口和光腔出气口，所述光学谐振腔体内部两侧还设置有隔离模块。
7.如权利要求2或3或4或5所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，所述光强检测及数据采集系统包括与所述光学谐振腔数量相同的聚焦透镜、一分束光纤、一光电倍增管、一示波器和一数据采集器，经所述光学谐振腔出射的激光经所述聚焦透镜聚焦到所述分束光纤的中心，所述分束光纤将出射的激光汇集所述光电倍增管，经所述光电倍增管进行光电转换的信号分别发送到所述示波器和数据采集器，同时，所述控制器将经所述光参量振荡器输出的激光波长发送到所述数据采集器内。
8.如权利要求7所述的一种宽波段可调谐光腔衰荡光谱仪，其特征在于，所述数据采集器采用装设有高速数据采集卡的计算机。
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