CN107589084A - 一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，包括QCL激光器、激光控制器、信号发生器、锁相放大器、反射镜、积分腔、平凹髙反镜、凹凸髙反镜、光电探测器、采集卡、压力传感器、温度传感器、气泵、质量流量控制器、信号处理系统。本发明在积分腔的激光出射端采用两面曲率特殊设计的凹凸髙反镜片，使透射的激光被自动会聚到探测器上，而不必再使用离轴抛物镜或者透镜对出射光线进行会聚，减少了因透射光发散，导致透射光不能被很好的会聚，同时减少镜片的安装部件对透射光的遮挡，使透射光更好的会聚。本发明采用凹凸髙反镜片可以取得更好的会聚效果，减少器件的使用，使系统更紧凑并提高系统的稳定性。

Description

一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置

技术领域

本发明涉及气体探测装置领域，具体为一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置。

背景技术

气体探测技术已经被广泛应用到环境监测、农业生产、工业过程控制、医疗诊断、同位素分析等等领域。因此人们发展了多种气体检测技术，差分吸收光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术，光声光谱技术、气相色敏技术等等。

积分腔吸收光谱技术是一种基于朗伯比尔定律的激光吸收光谱技术。积分腔是由两片满足稳定腔谐振条件的髙反镜构成，激光耦合进积分腔，在两镜片间来回多次反射。每次都会有一部分光透射出去，然后将每次透射的光进行会聚叠加，由于采用髙反镜，光会在腔内往返成百上千次，较小的积分腔基长就可以达到上千米的光程长度，获得较高的探测灵敏度。积分腔吸收光谱技术，以其高灵敏度，高选择性，可实时在线检测等优点，在气体探测方面获得越来越多的关注。

发明内容

本发明的目的在于使积分腔吸收光谱系统更紧凑，透射光的会聚效果更好提供一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，在积分腔的末端采用设计的髙反凹凸高反镜，可以使透射的光透射后就被会聚。减少安装不见对光的遮挡，以及光线发散导致会聚器件(离轴抛物镜或透镜)不能将透射光完全的会聚，进而使系统更紧凑稳定，使透射光更好地会聚。

为达到上述目的，本发明采用的方案为：

一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：包括有QCL激光器、激光控制器、信号发生器，信号发生器的信号输出端与激光控制器的信号输入端连接，激光控制器的信号输出端与QCL激光器控制连接， QCL激光器的前方光路上倾斜设置有反射镜，反射镜的反射光路上设置有积分腔，积分腔用于容纳气体，积分腔的两端设有进、出气口，积分腔的前端面安装有平凹髙反镜、后端面安装有凹凸髙反镜，激光经平凹髙反镜耦合进入积分腔、再经凹凸高反镜透射出去并会聚至位于积分腔后方的光电探测器上，光电探测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端连接，锁相放大器的信号输入端还与信号发生器的信号输出端连接，锁相放大器的信号输出端与采集卡的信号输入端连接，采集卡的信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接；所述积分腔的进、出气口分别设置有气泵、质量流量控制器，积分腔上设置有用来探测积分腔内部压力的压力传感器和用来探测系统的工作温度的温度传感器，所述压力传感器、温度传感器的信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接；所述采集卡、信号处理系统分别与信号发生器双向连接。

所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述平凹高反镜的基底材料选用硒化锌，硒化锌材料在中红外的波段的具有非常高的透射率，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm，平凹高反镜的凹面的曲率半径为1000mm，平凹高反镜的的凹面镀有高反介质膜，反射率＞99.98％、平面镀有增透膜。

所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述凹凸高反镜的基底材料选用硒化锌，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm，凹凸高反镜的凹面的曲率半径同样为-1000mm、凸面的曲率半径为-127.68mm，这样凹凸髙反镜就是一个具有会聚作用的透镜，在波长4.3μm处的凹凸高反镜的焦距为1000mm，凹凸高反镜的凹面镀有高反介质膜，反射率＞99.98％。

所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述积分腔的基长为158.75mm，即平凹高反镜与凹凸高反镜之间的距离，这样两镜片就满足了稳定谐振腔的条件，光可以在腔内多次往返，而光斑不会扩散。由于凹凸高反镜的会聚作用，光每次透过凹凸高反镜后都会会聚，相比于以前利用离轴抛物镜或透镜对透射光进行会聚，系统更加紧凑，减少器件，且避免光线发散导致部分透射光被安装部件遮挡或发散孔径较大而得不到有效的会聚。

本发明中所涉及到的器件的作用是：

1、QCL激光器：用于输出激光，QCL激光器波长调节范围广，可覆盖大部分气体分子较强的吸收谱线，且易于调节；

2、激光控制器：用于控制激光器的工作温度及工作电流；

3、信号发生器：用于产生高频正弦调制信号与低频三角扫描信号，来调制激光器的输出激光；

4、反射镜：用于改变激光路径，调节激光入射到积分腔的角度与位置；

5、积分腔：用于容纳气体，积分腔两端有进出气口，积分腔两端安装高反射率镜片；

6、平凹髙反镜：组成积分腔的前端面；

7、凹凸髙反镜：组成积分腔的后端面，且对透射光进行会聚；

8、气泵：用来控制积分腔内的压力；

9、温度传感器：用来探测系统的工作温度；

10、压力传感器：用来探测积分腔内部的压力信号；

11、质量流量控制器：用来控制进出气，保证腔内压力恒定；

12、光电探测器：用来探测透射的光信号；

13、锁相放大器：用来对信号进行放大去噪；

14：采集卡：将光电探测器的电信号进行模数转换，并采集到处理系统；

15、信号处理系统：用来对信号进行处理。

本发明的工作原理是：

本发明利用波长扫描积分腔技术对所测气体的浓度进行测量。根据所测气体的吸收波长的位置，利用激光控制器控制QCL激光器的工作温度与工作电流，使QCL激光器工作在所需要的波长范围内，信号发生器产生的高频正弦与低频三角调制信号，加载到激光控制器上，对QCL激光器的输出光进行高频调制与低频扫描，使QCL激光器的波长在所测气体的吸收线范围内进行扫描。利用反射镜将调制后的激光调整到合适的角度，耦合进充有待测气体的积分腔内，并利用气泵与质量流量控制器控制积分腔内的压力与进气量。积分腔内镜片为两片髙反镜，激光耦合进腔内后，在两片髙反镜间来回多次反射，基长15cm左右的积分腔，可以实现几百米的光程长度，极大的提高系统的探测极限及灵敏度。激光在积分腔内多次反射，激光包含了待测气体的吸收，利用凹凸高反镜的会聚作用，将每次透射的激光进行会聚，会聚到光电探测器上。光电探测器将探测到的信号传到锁相放大器进行放大，信号发生器的高频正弦信号同样传入锁相放大器上，作为参考信号。经锁相放大器放大的信号，为二次谐波信号，二次谐波信号的峰峰值包含气体的浓度信息，最终二次谐波信号由采集卡进行模数转换，采集传输给信号处理系统，同时将温度与积分腔内的压力信号一同传输到信号处理系统，然后对浓度进行反演，得到所测气体的浓度。

透射光的表达式I_out为：I_in为入射光的光强，α为吸收系数，R为两镜片的反射率，d为两透镜间的距离，即腔长。在没有吸收气体的情况下，透射光强I₀的表达式由于反射率都比较大，可近似成1，则气体的吸收系数可以吸收系数α与气体浓度的关系α＝σN，σ为吸收截面，N为分子数密度。这样探测到透射光强I₀、I_out便可以得到气体的浓度信息，对所测气体的浓度进行测量。由理论可知，对透射光有效的会聚对系统的稳定性灵敏度有很大的影响。

由上面所述，所以将积分腔后端的髙反镜设计成具有会聚作用的凹凸高反镜，使透射的光，透射后即被会聚。避免了固定镜片的部件对光的遮挡，也避免离轴抛物镜或透镜因光发散，导致不能对所有的透射光进行有效的会聚。

本发明与现有的技术相比的优点在于：

(1)本发明在积分腔的透射端采用具有会聚作用的凹凸高反镜，对透射光更好的会聚，提高系统的稳定性与信噪比。

(2)减少期间的使用，使系统更加的紧凑。

附图说明

图1为一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置的系统图。

其中，1为QCL激光器，2为激光控制器，3为信号发生器，4为反射镜，5 为积分腔，6为平凹髙反镜，7为凹凸髙反镜，8为气泵，9为温度传感器，10 为压力传感器，11为质量流量控制器，12为探测器，13为锁相放大器，14为采集卡，15为信号处理系统。

图2为积分腔的结构示意图。

图3为激光耦合进积分腔后在镜面上的分布图。

其中，每个反射镜上有11个光斑，光斑分布在图中半径为5cm的虚线圆上；图中的实线圆为直径25.4mm的镜片尺寸。

具体实施方式

下面结合系统图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，包括QCL激光器1，激光控制器2，信号发生器3，锁相放大器13，反射镜4，积分腔5，平凹髙反镜6，凹凸髙反镜7，光电探测器12，采集卡14，压力传感器 10，温度传感器9，气泵8，质量流量控制器11，信号处理系统15。

信号发生器3的信号输出端与激光控制器2的信号输入端连接，激光控制器 2的信号输出端与QCL激光器1控制连接，QCL激光器1的前方光路上倾斜设置有反射镜4，反射镜4的反射光路上设置有积分腔5，积分腔5用于容纳气体，积分腔5的两端设有进、出气口，积分腔5的前端面安装有平凹髙反镜6、后端面安装有凹凸髙反镜7，激光经平凹髙反镜6耦合进入积分腔5、再经凹凸高反镜7透射出去并会聚至位于积分腔5后方的光电探测器12上，光电探测器12 的信号输出端与锁相放大器13的信号输入端连接，锁相放大器13的信号输入端还与信号发生器3的信号输出端连接，锁相放大器13的信号输出端与采集卡14 的信号输入端连接，采集卡14的信号输出端与信号处理系统15的信号输入端连接；所述积分腔5的进、出气口分别设置有气泵8、质量流量控制器11，积分腔 5上设置有用来探测积分腔内部压力的压力传感器10和用来探测系统的工作温度的温度传感器9，所述压力传感器10、温度传感器9的信号输出端与信号处理系统15的信号输入端连接；所述采集卡14、信号处理系统15分别与信号发生器3双向连接。

QCL激光器1，用于输出激光具有可调谐、调谐范围广、窄线宽等特性。

激光控制器2用于控制激光器的工作温度及工作电流，以此来控制激光器的输出波长和功率。

信号发生器3用于产生高频正弦调制信号与低频三角扫描信号，来调制激光器的输出激光，并对输出波长进行扫描。使激光器的输出激光在所测气体的吸收波长范围内扫描。

锁相放大器13用来对信号进行放大去噪，可以输出二次谐波信号，二次谐波信号的峰峰值包含所测气体的浓度信息。

信号处理系统15对采集卡14采集到的信号进行算法处理，反演计算处所测气体的浓度。

反射镜4用于改变激光器输出激光的路径，调节激光入射到积分腔的角度与位置，使激光满足光在积分腔内多次反射的入射条件。

积分腔5两端安装高反射率镜片，积分腔两端有进出气口，用于容纳待测气体，积分腔内安装的髙反镜片必须满足稳定谐振腔条件。

平凹髙反镜6用于组成积分腔的前端面，基底材料选用硒化锌，镜片厚度为 5mm,直径为25.4mm。平凹高反镜的凹面的曲率半径设为1000mm，在平面上镀增透膜，凹面镀高反介质膜，反射率＞99.98％。

凹凸髙反镜7用于组成积分腔的后端面，凹凸高反镜的基底材料同样选用硒化锌，在凸面镀增透膜，在凹面镀高反介质膜，反射率＞99.98％，镜片厚度为 5mm，直径为25.4mm，凹面的曲率半径同样设为-1000mm，凸面的曲率半径设 -127.68mm，这样凹凸髙反镜就是一个具有会聚作用的透镜，在波长4.3μm处的凹凸高反镜的焦距为1000mm，透射光进行会聚。

光电探测器12用来探测透射的光信号，将其转换为电信号。

A/D转换采集卡14用于将光电探测器的电信号进行模数转换，并采集到处理系统。

压力传感器10用来探测积分腔内部的压力信号，并将压力信息发传送到信号处理系统。

温度传感器9用来探测系统的工作温度，并将温度信息发传送到信号处理系统。

气泵8与质量流量控制器11连用，用来控制积分腔内的压力，使积分腔稳定在一定的压力下，并控制积分腔的进出气。

图2为积分腔的结构图，腔的基长为L。积分腔的前端面采用平凹髙反镜6，基底材料选用硒化锌，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm。平凹高反镜的凹面的曲率半径设为1000mm，在平面上镀增透膜，在凹面镀反射率＞99.98％的介质膜，平凹髙反镜如图所示安装。积分腔的后端面采用凹凸髙反镜6，凹凸高反镜的基底材料同样选用硒化锌，在凸面上镀增透膜，在凹面镀反射率＞99.98％的介质膜，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm，凹面的曲率半径同样设为-1000mm，凸面的曲率半径设-127.68mm，这样凹凸髙反镜就是一个具有会聚作用的透镜，在波长4.3μm处的凹凸高反镜的焦距为1000mm，凹凸高反镜如图所示安装。两面镜子相距L＝158.75mm，这样两镜片的参数就满足稳定谐振腔的条件了。可以实现光路在积分腔内多次稳定的反射。

图3为激光耦合进积分腔后在镜面上的分布图，每个反射镜上有11个光斑，光斑分布在图中半径为5cm的虚线圆上，由于两镜片参数满足稳定腔的条件，激光就在两个镜片间稳定传输，多次稳定反射，实现较长的光程。图中的实线圆为直径25mm的镜片尺寸。

Claims (4)

1.一种基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：包括有QCL激光器、激光控制器、信号发生器，信号发生器的信号输出端与激光控制器的信号输入端连接，激光控制器的信号输出端与QCL激光器控制连接，QCL激光器的前方光路上倾斜设置有反射镜，反射镜的反射光路上设置有积分腔，积分腔用于容纳气体，积分腔的两端设有进、出气口，积分腔的前端面安装有平凹髙反镜、后端面安装有凹凸髙反镜，激光经平凹髙反镜耦合进入积分腔、再经凹凸高反镜透射出去并会聚至位于积分腔后方的光电探测器上，光电探测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端连接，锁相放大器的信号输入端还与信号发生器的信号输出端连接，锁相放大器的信号输出端与采集卡的信号输入端连接，采集卡的信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接；所述积分腔的进、出气口分别设置有气泵、质量流量控制器，积分腔上设置有用来探测积分腔内部压力的压力传感器和用来探测系统的工作温度的温度传感器，所述压力传感器、温度传感器的信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接；所述采集卡、信号处理系统分别与信号发生器双向连接。

2.根据权利要求1所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述平凹高反镜的基底材料选用硒化锌，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm，平凹高反镜的凹面的曲率半径为1000mm，平凹高反镜的的凹面镀有高反介质膜、平面镀有增透膜。

3.根据权利要求1或2所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述凹凸高反镜的基底材料选用硒化锌，镜片厚度为5mm，直径为25.4mm，凹凸高反镜的凹面的曲率半径同样为-1000mm、凸面的曲率半径为-127.68mm，凹凸高反镜的凹面镀有高反介质膜。

4.根据权利要求3所述的基于自会聚镜片的离轴积分腔吸收光谱气体探测装置，其特征在于：所述积分腔的基长为158.75mm，即平凹高反镜与凹凸高反镜之间的距离。