CN109239009A - 基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置及方法。现有汞蒸气浓度检测装置使用寿命短、测量结果浮动大。本发明包括半导体激光器、光栅、模式匹配镜、半波片、环形谐振腔、BBO晶体、二色向镜、分束镜、参考气室、检测气室和两个探测器。半导体激光器输出波长为507.3或730.2纳米。检测时，启动激光器，接收两个探测器产生的信号，对两路信号进行锁相放大，得到最大二次谐波信号；记录参考气室中二次谐波信号的最大幅值，在检测气室信号的相同位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值；计算得到待检测气体中汞浓度。本发明扩大了光源选择范围，提高了倍频转化效率、装置灵敏度和检测精度，实现了对元素汞浓度的实时监测。

Description

基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置及方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种基于环形谐振腔倍频结构的气态元素汞浓度检测装置及方法。

背景技术

汞是一种会对神经系统与肝脏造成损害的物质。锅炉烟气、煤炭燃烧、水泥生产、垃圾焚烧、有色金属冶炼等环节都会有汞蒸气的排放。我国汞污染形势严峻。联合国环境规划署全球汞评估2013报告(Global Mercury Assessment 2013)指出，2010年中国人为汞排放量占全球的40％。为了限制汞的超标排放，市场上需要一种能对元素汞蒸气浓度进行准确测量的仪器。目前市场上的汞蒸气浓度检测装置，主要基于冷原子吸收光谱技术、基于冷原子荧光光谱技术、塞曼调制技术等，其特征是使用汞灯作为光源，因而会有使用寿命短(2000小时)，测量结果浮动大等缺点。

专利号为ZL201210055105的发明专利，公开了一种基于和频技术的汞蒸气连续监测装置及监测方法。该装置采用两束激光作为光源，通过和频技术产生253.7纳米的紫外光，其系统要求两束激光严格共线且偏振方向相同，因而系统稳定性不高，系统结构复杂。

申请号为2016106742574的发明专利，公开了一种基于倍频技术的气态元素汞浓度检测装置及方法，其思路是使用倍频技术代替和频技术，即使用507.4纳米的激光直接倍频产生253.7纳米的紫外光，并用产生的紫外激光进行测量。该系统虽然结构简单，但倍频的效率仍然十分低，产生的紫外光强度只有纳瓦量级，测量信噪比低；同时需要使用光电倍增管进行测量，提高了系统的成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的基于倍频技术的气态元素汞浓度检测装置及方法倍频效率低，需要使用光电倍增管进行测量，测量信噪比低的问题，提出了一种基于环形谐振腔倍频结构的气态元素汞浓度检测装置，并提供利用该装置的气态元素汞浓度检测方法。

为实现上述目的，本发明的气态元素汞浓度检测装置，包括：

半导体激光器、光栅、模式匹配镜、半波片、环形谐振腔、BBO晶体、二色向镜、分束镜、参考气室、检测气室和两个探测器。

所述的半导体激光器输出波长为507.3±2纳米或730.2±2纳米，输出光强大于等于10毫瓦。

半导体激光器输出的光路上设置有光栅、模式匹配镜、半波片、耦合镜、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜。

半导体激光器输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，准确达到507.3纳米或730.2纳米。

经光栅调节后的光束依次经过模式匹配镜和半波片整形，再由耦合镜进入环形谐振腔中。所述的模式匹配镜为凸透镜。

耦合镜、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜组成的环形谐振腔中来回反射，其中耦合镜和第一高反镜为平面镜，第二高反镜和第三高反镜为凹面镜。光束穿过耦合镜，经第一高反镜反射到第二高反镜，再反射到第三高反镜，第三高反镜再将光束反射至耦合镜。第二高反镜至第三高反镜的光路上依次设置有BBO晶体和二色向镜。第二高反镜至第三高反镜过程中，经过BBO晶体产生倍频效应，生成倍频光。倍频光被二色向镜反射到环形谐振腔外，被分束镜分为两束：一束通过参考气室，被第一探测器探测；一束通过检测气室，被第二探测器探测；两个探测器信号被数据采集卡采集。

进一步，所述的第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜对激光反射率大于等于99％。

进一步，所述的二色向镜对基频光透射率大于等于80％，对倍频光反射率大于等于80％。

进一步，所述的参考气室，汞蒸气浓度与气室长度的乘积小于10ng/cm²；所述的检测气室长度大于等于10厘米。

进一步，所述第一探测器、第二探测器为硅基光电二极管、雪崩二极管或光电倍增管。

利用该装置进行气态元素汞浓度检测方法：

将已经确定气态汞浓度的气体充入参考气室，再将待检测的含有气态元素汞的气体充入检测气室，参考气室和检测气室均保持一个标准大气压。

开启半导体激光器，数据采集卡接收第一探测器和第二探测器产生的信号，并传送至计算机进行如下数据处理：

首先对两路信号进行锁相放大：将原始信号乘以2倍正弦波调制频率的正弦信号，再通过低通滤波器，得到二次谐波信号；通过调整正弦信号的相位，得到最大二次谐波信号；

然后记录参考气室中，二次谐波信号的最大幅值A_ref，在检测气室信号的同样位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值A_sam；计算得到待检测气体中气态汞的浓度C_sam：

其中，L_ref为参考气室的长度，L_sam为检测气室的长度，C_ref为参考气室中气态汞的浓度。

本发明通过腔外倍频技术，大大提高了合成紫外光的功率。通过使用波长调制技术，提高了系统检测的灵敏度。装置所选用激光器的波长，除了507.3纳米外，也可以选择730.2纳米进行检测，扩大了光源的选择范围。本发明中光栅的设置，降低了对激光二极管输出波长的要求，使得系统光源选取更宽松。由于使用了环形谐振腔结构，能够将基频光的能量束缚在谐振腔中，极大的增强了通过BBO晶体的基频光功率，使得倍频效率极大提升，获得了更强的倍频光。本发明使用了波长调制技术，即加入了高频正弦波调制以及锁相解调，大大提高了装置的灵敏度，提高了检测精度，实现了对元素汞浓度的实时监测。本发明可以达到的最低检测限低于1μg/m³，响应时间小于10秒，能够充分满足工业排放废气检测中对元素汞浓度的检测要求。

附图说明

图1位本发明检测装置的结构示意图；

图2为实施例中参考气室和检测气室两路提取的2次谐波信号示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，以下结合实施例做详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例1：

如图1所示，气态汞浓度检测装置半导体激光器1、光栅2、模式匹配镜2、半波片4、环形谐振腔、BBO晶体5、二色向镜6、分束镜7、参考气室8、检测气室9、三个反射镜和两个探测器。

半导体激光器1输出波长为507.3±2纳米或730.2±2纳米，输出光强大于等于10毫瓦。半导体激光器1输出的光路上设置有光栅2、第一反射镜16、模式匹配镜3、半波片4、耦合镜10、第一高反镜11、第二高反镜12、第三高反镜13。

半导体激光器1输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，准确达到507.3纳米或730.2纳米。经光栅2调节后的光束由第一反射镜16反射，依次经过模式匹配镜,和半波片4整形，再由耦合镜10进入环形谐振腔中。其中，模式匹配镜3为凸透镜。

耦合镜10、第一高反镜11、第二高反镜12、第三高反镜13组成的环形谐振腔中来回反射，其中耦合镜10和第一高反镜11为平面镜，第二高反镜12和第三高反镜13为凹面镜。光束穿过耦合镜，经第一高反镜反射到第二高反镜，再反射到第三高反镜，第三高反镜再将光束反射至耦合镜。第二高反镜12至第三高反镜13的光路上依次设置有BBO晶体5和二色向镜6。第二高反镜12至第三高反镜13过程中，经过BBO晶体5产生倍频效应，生成倍频光。倍频光被二色向镜6反射到环形谐振腔外，经第二反射镜17，由分束镜7分为两束：一束通过参考气室8，被第一探测器14探测；一束经第三反射镜18，通过检测气室9，被第二探测器15探测；两个探测器信号被数据采集卡采集。

半导体激光器1由温度控制电路1-1和电流控制电路1-2驱动，温度控制电路保持激光器温度恒定，电流控制电路接受来自数据采集卡的调制信号并输出相应调制电流。该半导体激光器1驱动为常规技术方案。调制电流由低频三角波与高频正弦波组成。低频三角波频率1～100赫兹，高频正弦波频率1000～100000赫兹。

本实施例中，第一高反镜11、第二高反镜12、第三高反镜13对激光反射率大于等于99％；二色向镜6对基频光透射率大于等于80％，对倍频光反射率大于等于80％。

参考气室8的汞蒸气浓度与气室长度的乘积小于10ng/cm²；检测气室9长度大于等于10厘米。第一探测器14和第二探测器15为硅基光电二极管、雪崩二极管或光电倍增管。

利用该装置进行气态元素汞浓度检测方法：

将已经确定气态汞浓度的气体充入参考气室，再将待检测的含有气态元素汞的气体充入检测气室，参考气室和检测气室均保持一个标准大气压。

开启半导体激光器，数据采集卡接收第一探测器和第二探测器产生的信号，并传送至计算机19进行如下数据处理：

首先对两路信号进行锁相放大：将原始信号乘以2倍正弦波调制频率的正弦信号，再通过低通滤波器，得到二次谐波信号；通过调整正弦信号的相位，得到最大二次谐波信号；

然后记录参考气室中，二次谐波信号的最大幅值A_ref，在检测气室信号的同样位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值A_sam；计算得到待检测气体中气态汞的浓度C_sam：

其中，L_ref为参考气室的长度，L_sam为检测气室的长度，C_ref为参考气室中气态汞的浓度。

实施例2：

半导体激光器1输出波长为505纳米，输出光强35毫瓦，激光器输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，使其准确到507.3纳米。参考气室长度1毫米，内部汞蒸气浓度通过环境温度换算，在环境温度为20摄氏度时，内部汞蒸气浓度为14.066ng/cm³。检测气室长度为200厘米。待测气体通过气管流入检测气室。

在通过锁相放大处理后，得到如图2所示2次谐波信号。其中，虚线为参考路信号，实线为待测路信号。由图中可见，第52ms处参考路出现二次谐波信号的最大幅值A_ref为0.0013，在此时间处提取检测路二次谐波信号的幅值A_sam为0.0017。两路信号幅值通过技术方案中所述公式，计算出待检测的含有气态元素汞的浓度为0.0092mg/m³。

实施例3：

半导体激光器1输出波长为730纳米，输出光强10毫瓦，激光器输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，使其准确到730.2纳米。参考气室长度4毫米，内部汞蒸气浓度通过环境温度换算，在环境温度为25摄氏度时，内部汞蒸气浓度为21.1445ng/cm³。检测气室长度为100厘米。待测气体通过气管流入检测气室。

在通过锁相放大处理后，得到2次谐波信号。参考路信号为0.0006，样品路信号为0.0002。两路信号幅值通过技术方案中所述公式，计算出待检测的含有气态元素汞的浓度为0.0352mg/m³。

Claims (9)

1.基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于该装置包括：

半导体激光器(1)、光栅(2)、模式匹配镜(3)、半波片(4)、环形谐振腔、BBO晶体(5)、二色向镜(6)、分束镜(7)、参考气室(8)、检测气室(9)和两个探测器；

所述的半导体激光器(1)输出波长为507.3±2纳米或730.2±2纳米，输出光强大于等于10毫瓦；

半导体激光器(1)输出的光路上设置有光栅(2)、模式匹配镜(3)、半波片(4)、耦合镜(10)、第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)；

半导体激光器(1)输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，准确达到507.3纳米或730.2纳米；

经光栅(2)调节后的光束依次经过模式匹配镜(3)和半波片(4)整形，再由耦合镜(10)进入环形谐振腔中；所述的模式匹配镜(3)为凸透镜；

所述的耦合镜(10)、第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)构成环形谐振腔，其中耦合镜(10)和第一高反镜(11)为平面镜，第二高反镜(12)和第三高反镜(13)为凹面镜；

光束在环形谐振腔中来回反射，光束穿过耦合镜，经第一高反镜反射到第二高反镜，再反射到第三高反镜，第三高反镜再将光束反射至耦合镜；第二高反镜(12)至第三高反镜(13)的光路上依次设置有BBO晶体(5)和二色向镜(6)；第二高反镜(12)至第三高反镜(13)过程中，经过BBO晶体(5)产生倍频效应，生成倍频光；倍频光被二色向镜(6)反射到环形谐振腔外，被分束镜(7)分为两束：一束通过参考气室(8)，被第一探测器(14)探测；一束通过检测气室(9)，被第二探测器(15)探测；两个探测器信号被数据采集卡采集。

2.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)对激光反射率大于等于99％。

3.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的二色向镜(6)对基频光透射率大于等于80％，对倍频光反射率大于等于80％。

4.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的参考气室(8)，汞蒸气浓度与气室长度的乘积小于10ng/cm²；所述的检测气室(9)长度大于等于10厘米。

5.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的第一探测器(14)、第二探测器(15)为硅基光电二极管、雪崩二极管或光电倍增管。

6.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的光栅(2)与模式匹配镜(3)之间的光路上设置有第一反射镜(16)。

7.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的二色向镜(6)与分束镜(7)之间的光路上设置有第二反射镜(17)。

8.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的分束镜(7)与检测气室(9)之间的光路上设置有第三反射镜(18)。

9.采用如权利要求1装置进行气态元素汞浓度检测方法，其特征在于：

将已经确定气态汞浓度的气体充入参考气室(8)，再将待检测的含有气态元素汞的气体充入检测气室(9)，参考气室和检测气室均保持一个标准大气压；

开启半导体激光器(1)，数据采集卡接收第一探测器(14)和第二探测器(15)产生的信号，并传送至计算机进行如下数据处理：

首先对两路信号进行锁相放大：将原始信号乘以2倍正弦波调制频率的正弦信号，再通过低通滤波器，得到二次谐波信号；通过调整正弦信号的相位，得到最大的二次谐波信号；

然后记录参考气室中，二次谐波信号的最大幅值A_ref，在检测气室信号的同样位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值A_sam；计算得到待检测气体中气态汞的浓度C_sam：

其中，L_ref为参考气室的长度，L_sam为检测气室的长度，C_ref为参考气室中气态汞的浓度。