CN110346300A - 光声光谱检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光声光谱检测系统及方法，系统采用广谱光源，结合光谱色散器件与空间光调控器进行光束强度与波长的高频调制，取消了机械斩波器，减小了系统体积和重量，提高了稳定性，大幅降低了背景噪声。

Description

光声光谱检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光声光谱检测系统及方法，特别是针对广谱光源，采用非机械方法实现激励光源的高频率强度与波长调制，属精密光谱检测技术领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，环境污染问题曰益严重，空气质量严重下降，雾霾现象频繁发生，其主要来源于各种污染气体的排放。其中，大气污染物主要有一氧化碳，二氧化硫和氮氧化物等有害气体。这些气体存在于空气当中，如果不及时发现和解决，将会对人们的身体健康和日常生活造成很大的影响，因此对环境的监测和治理已经成为非常重要的任务。同时工业生产中有害与危险气体的泄露也是重大安全事故的直接引发者，会带来经济和人身安全上的巨大损失。

目前，痕量气体的高精度检测技术包括非光学手段，如电化学传感器、气敏法、热催化发、气相色谱法等，这些方法检测精度可以达到ppm量级，但与光学检测方法相比，非光学检测方法的传感器使用寿命短，动态范围窄，收集采样和处理时间慢，不适合在线实时检测。光学检测方法具有灵敏度和可靠性高及可在线实时检测等优点，是气体检测的理想方法。近年来光学检测方法的新技术相继出现，如波长调制吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术和光声光谱技术等。光声光谱测量技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱法，其原理是，当物质分子受到光照射时，分子因吸收光能而被激发到高能态，然后通过非辐射消激发过程使吸收的光能转变为分子的动能。如果照射光束经过周期性调制，则在物质内产生周期性的温度变化并导致压力的周期性变化，因而产生声波即光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则取决于物质的光学、热学、弹性及周边空间的几何特性等。由于光声信号直接正比于物质吸收的光能，而不同成分的物质具有不同波长的吸收峰值，因此当具有连续宽光谱的光源照射样品时，样品内不同成分的物质将在吸收峰相对应的光波波长处产生较强的光声信号，通过分析光声信号随波长的变化，可以得到物质的光声光谱。光声光谱技术具有无背景噪声干扰的特点，不受光的反射和散射影响，检测灵敏度最高可以达到ppt量级，并适用于气体、液体、固体、粉末等各种样品的检测。

光声光谱装置的一个重要组成部件是激励光源，要求高能广谱。可调谐激光器虽是最理想的光源，具有单色、可直接调制的优点。但其光谱覆盖范围窄，价格昂贵，不利于应用推广。因此目前主流还是采用热光源，如氙灯、卤素灯、红外灯、电弧灯等。对于此类广谱光源，波长的选择通常采用窄带滤波片。滤波片的透射损耗大，不能连续改变，且价格昂贵。为了提高检测灵敏度和降低各种噪声干扰，光声光谱系统通常希望采用较高调制频率。但由于上述热光源的热惯性大，不能采用驱动源直接进行调制，故多采用机械斩波器。但斩波器的体积大，调制频率相对低，频率稳定性差。因此亟需新型激励光源及调制技术。

发明内容

本发明的目的就是针对目前光声光谱检测技术中所采用的广谱光源的不足，提出一种新型的光声激励源装置及方法。该装置采用光谱色散器件结合空间光调控器，实现对广谱光源的波长选择与调控。光谱色散器件将广谱光源按波长在空间展开，并投射到空间光调控器上。空间光调控器可以对任意波长的光进行反射方向的调制，通过周期性地将特定波长的光能量投射到光声池中并激励光声信号，特定波长的光谱带宽可以根据需要任意截取。该装置可同时实现光的强度调制与波长调制，可以采用多种方法实现背景信号的抑制。该装置不需采用机械斩波器和滤光片，因此系统的稳定性大幅提高，且调制频率高，体积重量小，适合工业应用。

附图说明

图1为现有技术中采用热光源激励的光声光谱系统示意图，其中：

（a）为采用斩波器进行调制的光声光谱系统示意图；

（b）为采用可直接调制光源的光声光谱系统示意图；

图2为几种光谱色散器件的示意图，其中：

（a）为采用光栅的光谱色散器件；

（b）为采用棱镜的光谱色散器件；

图3为几种空间光调控器示意图，其中：

（a）为采用反射式阵列光偏转像元的空间光调控器；

（b）为采用透射式阵列光阀像元的空间光调控器；

图4为采用光谱色散器件与空间光调控器的光声信号激励光源示意图，其中：

（a）为采用反射式阵列光偏转像元的系统示意图；

（b）为采用透射式阵列光阀像元的系统示意图；

图5为本发明的一种光声光谱检测装置示意图；

图6为本发明一种具有波长调制的光声光谱检测装置示意图；

图7为光声信号差分检测原理示意图，其中：

（a）为包括光声背景信号的吸收峰示意图；

（b）为对应吸收峰及非吸收峰两个波长处的光声信号；

（c）为双频差分检测信号随时间变化示意图；

图8为波长调制光声光谱倍频检测原理示意图，其中：

（a）为空间光调控器光谱分布示意图；

（b）为在时域上波长调制示意图；

（c）由窗口和光声池吸收产生的基频背景信号示意图；

（d）由气体吸收产生的倍频信号示意图；

图9为本发明一种采用谐振光声池的差分调制光声光谱检测装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施例与附图对本发明做进一步的说明。

图1（a）所示的是一个典型的已有光声光谱系统原理示意图，该系统采用热光源，常用的有氙灯、卤素灯、红外灯、电弧灯等。光源10经过滤光片11进行谱线的选择，然后经斩波器12强度调制，再通过窗口14投射进光声池13，光声池13内的被检测气体在吸收光能量后产生光声信号，由声传感器15探测并送到锁相放大器16，同时斩波驱动器17输出一个斩波频率信号到锁相放大器16作为参考信号。图1（a）示的光声池13具有前后两个窗口14，这样可以避免光在光声池内反射，并在池壁上吸收产生背景信号。但有些光声池只有一个窗口，使得光在光声池内多次反射以增加气体吸收路程，同时采用一些方法降低池壁吸收所产生的影响。光声池的形式多种，如谐振与非谐振等。

图1（b）所示的是另外一种已有光声光谱系统原理示意图，所采用的可调制广谱光源19仍为热光源，但是特制的薄膜器件，具有热惯性小的特点，因此可以直接通过光源驱动器18进行调制，不需要采用斩波器12，大幅减小了系统尺寸，提高了稳定性。但该光源的缺点是功率不高，调制频率有限，只有几十Hz左右，且频率超过10Hz后调制深度就显著下降。

还有许多采用激光器作为激励光源的光声光谱技术，例如可调谐波长的中红外激光器，但这种激光器的波长可调谐范围有限，且价格十分昂贵，只适合实验室使用。也有采用短波红外激光器的方法，利用音叉等高品质因数的声探测元件，通过高频调制来提高信噪比，得到了较好的效果。但在短波红外区域气体吸收峰非常微弱，因此最终气体的检测灵敏度也不能得到明显提高。且激光器波长固定，不同气体需要采用不同的激光器。

为了解决上述传统光声光谱系统在激励光源方面的不足,本发明采用光谱色散器件21结合空间光调控器30的方法，可以实现高频、非机械式的光强度与波长调制。

图2（a）所示的是采用光栅的光谱色散器件21，用于将广谱光源20的输出光在空间按波长分散开来。图示的光栅为凹面，具有聚焦功能，系统简单。也可以采用平面光栅结合透镜或反射镜的方式。光谱色散器件21也可以采用棱镜22，如图2（b）所示。棱镜成本很低，性能极其稳定，但其色散能力比光栅弱很多。

图3（a）所示是一种反射式的空间光调控器30，该器件具有数量众多的阵列光偏转像元31，这些光偏转像元31没有加载时处于水平的平衡状态。通过电加载，光偏转像元31可以发生向左或向右的偏转，偏转的速度非常快，可以达到几十kHz，因此能够实现高频调制。当有外界光束34入射到空间光调控器30时，根据各个光偏转像元31的偏转状态，出射光的方向将发生相应的改变。典型的空间光调控器30的核心器件可以是MEMS工艺制作的微镜阵列，如德州仪器公司生产的DLP器件，上面包含了数以百万计的光偏转像元，每个光偏转像元都可以单独控制在两个方向高速偏转。图3（b）所示的是阵列光阀调制器35，该器件具有大量微光阀，呈阵列排布，通过加载电场对各个微光阀进行开关操作，开关速度也较快。典型的这类器件是采用液晶构造，如用于投影设备的LCD器件。另外一种阵列光阀器件是LCOS器件，工作原理和LCD类似，但采用的是反射方式。

图4（a）所示的是结合光谱色散器件21和空间光调控器30的光声光谱激励源示意图。广谱光源20的出射光通过光谱色散器件21的分色并聚焦在空间光调控器30的表面上。通过控制系统，空间光调控器30可以将不同波长的光反射到两个不同方向。图4（b）所示的是结合光谱色散器件21和阵列光阀调制器35的光声光谱激励源示意图。广谱光源20的出射光通过光谱色散器件21的分色并聚焦在阵列光阀调制器35上。通过控制系统，阵列光阀调制器35可以选择性地让特定波长的光透射过去。

图5所示是一种采用本发明技术的光声光谱系统，空间光调控器30的一个偏转方向是将光束投射到光声池13中，而另外一个偏转方向则是将光束投向黑体51并被吸收。因此在空间光调控驱动器52的控制下，空间光调控器30周期性地将气体吸收峰所对应的光能量投射到光声池13中，由此产生的光声信号经声传感器15拾取后送到锁相放大器16，锁相放大器16所需要的参考信号则来自于空间光调控驱动器52。图5中的空间显得比较拥挤，实际系统中光的偏转可以在垂直纸面的方向。

综上所述，一种光声光谱检测方法，包括以下几个步骤：

a.采用光谱色散器件21将广谱光源20的光能量按波长在空间展开并投射到空间光调控器30的阵列光偏转像元31；

b.控制所述空间光调控器30的光偏转像元31，将对应气体吸收峰的频谱分量周期性地投射到光声池13中；

c.接收所述光声池13内的声波信号，采用锁相检测方法对该信号进行处理。

图5的系统中采用的光声池13为单窗口，光束在光声池内多次反射，可以大幅增加光与气体的作用距离。但光声池13的吸收会产生很强背景信号，对检测灵敏度造成影响。为此可以采用差分方式来消除背景信号，下面结合图6和图7进行说明。参考图6，首先选取针对气体吸收峰的光束λ3，然后选取另外一个偏离气体吸收峰的光束λ5。图7（a）表示的是，由于光声池13池壁及窗口14在气体吸收峰附近一定波长范围内不存在吸收峰，且吸收率基本相同，因此这两个波长所产生的背景信号基本相等。如果周期性地将波长为λ3和λ5的光能量交替投射到光声池13内，所得到的光声信号在光谱上如图7（b）所示，而所接收到的声压信号如图7（c）所示，有很大的直流分量。由于λ3和λ5在池壁和窗口所产生的背景信号基本相同，因此通过锁相信号处理后背景信号将被大部分消除掉。

概括的说，一种具有消除背景干扰信号功能的光声光谱检测方法，包括以下几个步骤：

a.采用光谱色散器件21将广谱光源20的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器30的阵列光偏转像元31上；

b.控制所述空间光调控器30的光偏转像元31，分别将对应气体吸收峰的频谱分量和另一束偏离气体吸收峰的频谱分量周期性地交替投射到光声池13中；

c.接收所述光声池13内的声波信号，采用锁相检测方法对该信号进行处理。

由于λ3和λ5的入射方向和照射到光声池13池壁的位置有少许不同，因此所产生的背景信号强度可能会有微小差别。由于空间光调控器30的光偏转像元31数量很多，因此可以通过动态调节光偏转像元31的数量来进行精确平衡。

为了进一步降低背景信号的干扰，可以采取倍频检测的方法，具体参考图8来加以说明。图8（a）是空间光调控器30表面光谱分布示意图，如果气体的吸收峰处于λ3的位置，则可以选取其附近的一定波谱范围，如从λ2到λ4，通常为系统谱线带宽的2-4倍，然后按照图8（b）所示的顺序按调制频率f进行连续的谱线扫描，不是跳跃式的。由于光声池13和窗口14的吸收率随光谱变化在小区间基本是单调的，因此呈现出来的背景信号频率与调制频率f相同，如图8（c）中的曲线80所示。但对于吸收峰在λ3的气体，谱线扫描的上行和下行过程都会发生一次吸收，因此产生的光声信号频率2倍于调制频率。将锁相放大器的参考信号的频率设为2f，可以有效滤除处于基频f的背景信号的干扰。这种技术的另外一个优点是，对于谐振光声池，调制频率只是谐振频率的一半，或者说光声池的谐振频率可以提高一倍，这对提高系统抗噪声能量有助益。

因此一种用于谐振腔光声检测系统的光声光谱检测方法，包括以下几个步骤：

a.采用光谱色散器件21将广谱光源20的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器30的阵列光偏转像元31上；

b.控制空间光调控器30的光偏转像元31，在以气体吸收峰为中心的一个光谱区间，按光谱波长顺序对频谱分量周期性地往复扫描并投射到光声池13中；

c.接收所述光声池13内的声波信号，采用锁相检测方法对调制频率的2倍频进行信号处理。

同样由于在λ2到λ4之间的波谱范围内光的能量会有变化，入射方向和照射到光声池13池壁的位置会有少许不同，因此所产生的背景信号强度可能会有微小差别，这可以通过动态调节光偏转像元31的数量来进行精准平衡。

图9所示的是一种采用谐振光声池90的差分式光声光谱系统。谐振光声池90具有两个对称的谐振腔91，两个谐振腔中的声压信号幅度相同，但相位相反。因此利用空间光调控器30将光束在两个空间方向交替偏转的特性，将这两个方向的光束分别导入谐振光声池90的两个对称的谐振腔91中，形成共振激励，这样充分利用光束的能量，有效提高光声信号信噪比。具体方法包括以下步骤：

a.采用光谱色散器件21将广谱光源20的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器30的阵列光偏转像元31上；

b.控制所述空间光调控器30的光偏转像元31，将对应气体吸收峰频谱的光束周期性地交替投射到谐振光声池90的两个对称的谐振腔91；

c.接收所述谐振光声池90内的声波信号，采用锁相检测方法对该信号进行处理。

在图9所示的系统中，图6和图7所示的双谱线差分技术可以叠加使用，即波长为λ3和λ5的光束由空间光调控器30交替投射到谐振光声池90的两个对称的谐振腔91中，通过动态调节光偏转像元31的数量来平衡两束光的强度，使得在两个谐振腔91中由池壁和窗口所产生的背景信号相同，这样可以进一步提高系统检测性能。具体方法包括以下步骤：

a.采用光谱色散器件21将广谱光源20的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器30的阵列光偏转像元31上；

b.控制所述空间光调控器30的光偏转像元31，分别将对应气体吸收峰频谱的光束和另一束偏离气体吸收峰频谱的光束周期性地交替投射到谐振光声池90的两个对称谐振腔91；

c.接收所述谐振光声池90内的声波信号，采用锁相检测方法对该信号进行处理。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性的，例如差分检测并不限于两个波长的光交替导入光声池13，而是可以将对应多个吸收峰的光能量交替导入光声池13，实现多组份的同时检测。另外为了便于叙说，上述内容中主要以反射式光偏转的空间光调控器为实施示例进行介绍，但透射式光阀器件在光路上稍做调整也可以得到同样的效果。因此在本权利要求书的范围中对其进行修改、变化及等效，都将落于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光声光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：

广谱光源（20），所述广谱光源（20）用于激励光声信号；

光谱色散器件（21），所述光谱色散器件（21）用于将所述广谱光源（20）的能量按频谱顺序在空间展开；

空间光调控器（30），所述空间光调控器（30）位于光谱色散器件（21）的焦平面，用于对所述广谱光源（20）的不同频谱分量进行周期性空间方位调制；

光声池（13），所述光声池（13）包括窗口（14）与声传感器（15），用于盛载待测气体，所述声传感器（15）用于探测由所述空间光调控器（30）周期性投射的待测气体可吸收频谱分量与待测气体作用后所产生的声波信号。

2.一种光声光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：

广谱光源（20），所述广谱光源（20）用于激励光声信号；

光谱色散器件（21），所述光谱色散器件（21）用于将所述广谱光源（20）的光能量按频谱顺序在空间展开；

空间光调控器（30），所述空间光调控器（30）位于光谱色散器件（21）的焦平面，用于对所述广谱光源（20）的不同频谱分量进行周期性空间方位的调制；

谐振光声池（90），所述谐振光声池（90）包括声传感器（15）和两个谐振腔（91），用于盛载被检测气体，所述声传感器（15）探测由所述空间光调控器（30）周期性投射的待测气体可吸收频谱分量与待测气体作用后所产生的声波信号。

3.根据权利要求2所述的一种光声光谱检测系统，其特征在于，所述空间光调控器（30）将所述广谱光源（20）中的待测气体可吸收频谱分量周期性地交替投射到所述两个谐振腔（91）中。

4.根据权利要求2所述的一种光声光谱检测系统，其特征在于，所述空间光调控器（30）将所述广谱光源（20）中处于吸收峰的频谱分量和处于非吸收峰的频谱分量周期性地交替投射到所述两个谐振腔（91）中。

5.一种光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用光谱色散器件（21）将广谱光源（20）的光能量按波长在空间展开并投射到空间光调控器（30）的阵列光偏转像元（31）；

控制所述光偏转像元（31），将对应气体吸收峰的频谱分量周期性地投射到光声池（13）中；

接收所述光声池（13）内的声波信号并采用锁相检测方法进行信号处理。

6.一种光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用光谱色散器件（21）将广谱光源（20）的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器（30）的阵列光偏转像元（31）上；

控制所述光偏转像元（31），分别将对应气体吸收峰的频谱分量和另一束偏离气体吸收峰的频谱分量周期性地交替投射到光声池（13）中；

接收所述光声池（13）内的声波信号并采用锁相检测方法进行信号处理。

7.根据权利要求6所述的一种光声光谱检测方法，通过动态改变光偏转像元（31）的数量调节所述对应气体吸收峰的频谱分量与另一束偏离气体吸收峰的频谱分量，使得两者在光声池中由于池壁和窗口吸收所产生的背景信号完全相同。

8.一种光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用光谱色散器件（21）将广谱光源（20）的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器（30）的阵列光偏转像元（31）上；

控制所述光偏转像元（31），在以气体吸收峰为中心的一个光谱区间，按光谱波长顺序对频谱分量周期性往复扫描并投射到光声池（13）中；

接收所述光声池（13）内的声波信号，采用锁相检测方法对所述周期性往复扫描频率的二倍频进行信号提取。

9.一种光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用光谱色散器件（21）将广谱光源（20）的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器（30）的阵列光偏转像元（31）上；

控制所述光偏转像元（31），将对应气体吸收峰的频谱分量周期性地交替投射到谐振光声池（90）的两个谐振腔（91）中；

接收所述谐振光声池（90）内的声波信号并采用锁相检测方法进行信号处理。

10.一种光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

采用光谱色散器件（21）将广谱光源（20）的光能量按波长在空间展开，并投射到空间光调控器（30）的阵列光偏转像元（31）上；

控制所述光偏转像元（31），分别将对应气体吸收峰的频谱分量和另一束偏离气体吸收峰的频谱分量周期性地交替投射到谐振光声池（90）的两个谐振腔（91）中；

接收所述谐振光声池（90）内的声波信号并采用锁相检测方法进行信号处理。