CN108535191A - 基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置 - Google Patents

基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，气体室左右侧外光路上分别同轴依次放置反射镜、三棱镜、高压氦氖管，两个高压氦氖管输出的激光分别通过各自外光路上三棱镜到垂直光路的反射镜上，并经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直入射至气体室中菱形腔的四个凹面反射镜之间反复折射，一部分激光从气体室另一侧窗口出射到气体室外开口的两个反射镜上，一部分激光从气体室同侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的反射镜上，激光被反射镜反射回气体室内，再次进入四个凹面反射镜之间反复折射；进入气体室的多路气体与激光反应产生拉曼信号，混合光由气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块将处理后的信号送入计算机分析生成拉曼频谱图。

Description

基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置
技术领域
本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置。
背景技术
石油，天然气等能源的开采存在着大量的混合气体，如何有效地将油气混合气体中不同气体检测分离出来是油气开采中的关键。传统的检测方法，如气相色谱技术，存在着不能连续检测，且维护费用大的问题，而红外光谱技术，有限的检测范围也使其只能应用与相应环境下。因此，寻求一种有效的气体检测方法，该方法应能连续有效地分辨出多种气体，并有着较高的精度，对石油化工的发展有着极大的意义。拉曼光谱技术的应用使之成为可能。
先前的设计中，例如美国AIR公司生产的多路拉曼气体检测仪器，这些设计都对气体检测提出一些较好的措施，但是设计中采用的是单路谐振腔，利用激光在两面镜之间来回振荡。有时不仅激光强度难以得到保障，杂散光的影响也难以消除。
发明内容
本发明是针对现在能源的开采中传统气体检测技术存在的问题，提出了一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，能同时在线测量多种气体。
本发明的技术方案为：一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，包括四个反射镜，两个三棱镜，两个高压氦氖管，气体室，光谱仪模块，所述气体室上下分别设有进、出气管，所述气体室内设有由四个凹面反射镜组成的菱形腔，气体室左右侧外光路上分别同轴依次放置反射镜、三棱镜、高压氦氖管，同侧下面设有反射镜；两个高压氦氖管输出的激光分别通过各自外光路上三棱镜到垂直光路的反射镜上，被反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直入射至气体室，进入的激光在菱形腔的四个凹面反射镜之间反复折射，一部分激光从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的两个反射镜上，一部分激光从气体室同侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的反射镜上，激光被反射镜反射回气体室内，再次进入四个凹面反射镜之间反复折射；多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光由气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块将处理后的信号送入计算机分析生成拉曼频谱图。
进一步，所述高压氦氖管两端设有布鲁斯特窗，布鲁斯特窗滤除S偏振，使光线转换为线偏振光。
进一步，所述三棱镜放置在反应室外，按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光。
进一步，所述光谱仪模块由滤光片、单色仪和传感器组成，所述滤光片、单色仪和传感器依次设置，所述滤光片透过99%的混合光中拉曼信号，单色仪收集光谱能量后送入传感器。
本发明的有益效果在于：本发明的基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，结合有源腔增强技术和拉曼气体检测技术，采用有源腔，避免了无源腔的结构松散。采用菱形腔镜，通过两条路线闭合，光在四个凹面镜之间反复折射，提高了光线强度。系统具有拉曼光曼光谱技术和高精度检测的特点，能同时在线测量多种气体，并进行实时在线分析。整个系统紧凑，可靠性高，检测效果优良，有较好的操作性。
附图说明
图1为本发明的基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，包括第一至第四反射镜101、102、103、104、两端带布鲁斯特窗的第一，二高压氦氖管201、202、第一，二，三，四凹面反射镜301、302、303、304、第一，二棱镜401、402、气体室501、进、出气管601、602、光谱仪模块701。右侧气体室外光路上同轴依次放置第一反射镜101、第一三棱镜401、第一高压氦氖管201，第一高压氦氖管201输出的激光通过三棱镜到垂直光路的第一凹面反射镜301，被反射后经第一三棱镜401和第一高压氦氖管201从气体室一侧窗口垂直入射至气体室501，进入的激光在菱形腔的四个凹面镜之间反复折射，一部分激光从另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第二，三反射镜102、103上，另一部分激光从同侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第四反射镜104上，之后激光被第二，三，四反射镜102、103、104反射回气体室501内，再次进入四个凹面镜之间反复折射。左侧气体室外光路上同轴依次放置第二反射镜102、第二三棱镜402、第二高压氦氖管202，第二高压氦氖管202输出的激光通过三棱镜到垂直光路的第三凹面反射镜303上，被反射后经过三棱镜402和第二高压氦氖管202从气体室一侧窗口垂直入射至气体室501，进入的激光在菱形腔的四个凹面镜之间反复折射，一部分激光从另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第一，四反射镜101、104上，另一部分激光从同侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的第三反射镜103上，之后激光被第一、三、四反射镜101、103、104反射回气体室501内，再次进入四个凹面镜之间之间反复折射，两个高压氦氖管发射出来的光形成六条交叉闭合的光路，在菱形腔内反复折射，形成循环。气体室501上面设有进气口601，下面设有出气口602，光谱仪模块701位于气体室501上面，采集气体室501内的信号。光谱仪701位于腔镜共心点正上方，有利于最大程度采集出反应后的混合光。
具体实施过程：波长为632 .8nm的氦氖激光从高压氦氖管振荡产生，右侧光路依次经过第一反射镜101，第一三棱镜401，进入密闭的气体室501。在气体室501中，一部分光线先到达第一凹面反射镜301，反射至第二凹面反射镜302，然后经过多次反射后从第二凹面反射镜302出射至第三反射镜103，再经第三反射镜103反射回原光路，形成光路循环。另一部分光线先到达第一凹面反射镜301，反射至第三，四凹面反射镜303、304，然后经过多次反射后从第三，四凹面反射镜303、304出射至第三，四反射镜103、104，再经第三，四反射镜103、104反射回原光路，形成光路循环。左侧光路依次经过第二反射镜102，第二三棱镜402，进入密闭的气体室501。在气体室501中，一部分光线先到达第三凹面反射镜303，反射至第四凹面反射镜304，然后经过多次反射后从第四凹面反射镜304出射至第四反射镜104，再经第四反射镜104反射回原光路，形成光路循环。另一部分光线先到达第三凹面反射镜303，反射至第一，二凹面反射镜301、302，然后经过多次反射后从第一，二凹面反射镜301、302出射至第三，四反射镜103、104，再经第三，四反射镜103、104反射回原光路，形成光路循环。多路气体由气体室501上的进气口601进入气体室501，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过光谱仪模块701被收集，光谱仪模块701包括滤光片、单色仪以及传感器，滤光片滤去大部分的杂散光，单色仪将收集到的光信号送由传感器检测，最后由计算机系统进行分析生成拉曼频谱图。本系统成功实现了包含氧气和氮气的混合气体在线即时检线即时检测。本系统具有结构紧凑，反射腔镜成菱形，稳定性好，可靠性上佳，便于操作；能同时测量多种气体，灵敏度高，适应性强，便于维护等特点。先开激光再输入气体，测试是在密封状态下进行的,一边放入气体，一边进行实时测试。
四个凹面镜成菱形，大大增加了光的反射次数，从高压氦氖管出射的光进入气体室之后在四个凹面镜之间反复折射，之后通过气体室外的出气口在返回气体室，循环折射，增加了光强。
避免了无源腔增强技术的结构松散；避免了单路结构所带来的回返光干扰。具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能实现在线实时测量和多路气体同时检测。整个系统操作便捷，易于维护，稳定性上佳。
高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。三棱镜按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。光谱仪模块由滤光片、单色仪以及传感器构成。滤光片对于拉曼信号的透过率为99%，而其它光线仅有5%的透过率。单色仪较好地收集光谱能量，而传感器及后续检测器件则对光谱进行分析与检测。

Claims (4)

1.一种基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，包括四个反射镜，两个三棱镜，两个高压氦氖管，气体室，光谱仪模块，其特征在于：所述气体室上下分别设有进、出气管，所述气体室内设有由四个凹面反射镜组成的菱形腔，气体室左右侧外光路上分别同轴依次放置反射镜、三棱镜、高压氦氖管，同侧下面设有反射镜；两个高压氦氖管输出的激光分别通过各自外光路上三棱镜到垂直光路的反射镜上，被反射后经过三棱镜和高压氦氖管从气体室一侧窗口垂直入射至气体室，进入的激光在菱形腔的四个凹面反射镜之间反复折射，一部分激光从气体室另一侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的两个反射镜上，一部分激光从气体室同侧窗口出射到气体室外正对气体室开口的反射镜上，激光被反射镜反射回气体室内，再次进入四个凹面反射镜之间反复折射；多路气体由气体室上的进气口进入气体室，与激光反应产生拉曼信号，混合光由气体室上的光谱仪模块收集，光谱仪模块将处理后的信号送入计算机分析生成拉曼频谱图。
2.根据权利要求1所述的基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测装置，其特征在于：所述高压氦氖管两端设有布鲁斯特窗，布鲁斯特窗滤除S偏振，使光线转换为线偏振光。
3.根据权利要求1所述基于菱形腔镜的激光拉曼气体检检测系统，其特征在于：所述三棱镜放置在反应室外，按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光。
4.根据权利要求1所述的基于菱形腔镜的激光拉曼气体检测系统，其特征在于：所述光谱仪模块由滤光片、单色仪和传感器组成，所述滤光片、单色仪和传感器依次设置，所述滤光片透过99%的混合光中拉曼信号，单色仪收集光谱能量后送入传感器。
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