CN111562237A - 基于双光束腔增强光谱技术的co2、n2o稳定同位素同时探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置及方法。该装置包括信号发生器、QCL激光器一、QCL激光器二、QCL激光控制器一、QCL激光控制器二、平面反射镜组件一、平面反射镜组件二、积分腔、聚焦透镜、MCT探测器和信号处理系统。本发明设计实现了稳定高效的双光束腔增强光路系统，联合两个工作在室温下的QCL激光器，构建小型化的大气CO₂、N₂O多组分稳定同位素动态高效探测装置，这种双光束腔增强光谱结构，不用增加合束的光学耦合元件，避免了传统耦合光学元件引起的功率波动与损耗，降低了系统的硬件成本，有利于探测装置的集成，可实现多组分气体同位素丰度原位实时探测。

Description

基于双光束腔增强光谱技术的CO2、N2O稳定同位素同时探测装 置及方法

技术领域

本发明涉及气体探测技术领域，具体涉及一种基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置及方法。

背景技术

多组分痕量气体检测及同位素丰度分析在人类生产生活中有着日益突出的重要作用。大气中存在二氧化碳(CO₂)及氮氧化物(N₂O)等痕量温室气体，这些痕量气体的变化会导致诸如“温室效应”、“酸雨”、“光化学烟雾”及“雾霾”等一系类污染问题。由于农业生产中使用化学肥料(特别是氮素化肥)，产生了大量的N₂O。研究证明，N₂O是一种非常强大的温室效应气体，大气中N₂O的含量虽约仅为CO₂的9％，但其产生的温室效应却是CO₂的310倍,已造成严重的生态问题。实时监测温室气体，识别温室气体的源和汇，是环境监测与保护的重要保障，是环境监督治理的基本科学手段。同时多组分气体与多同位素丰度高灵敏探测在工业过程控制、医学检测、地球科学等领域亦具有重要的科学意义和应用价值。

目前，气体同位素的测量主要有两种技术，相对于传统的同位素质谱技术，激光吸收光谱技术有着明显的应用优势：首先，光谱测量不受目标气体中同分子量的影响。N₂O和CO₂的分子量同为44，以质量无法区分，在环境中CO₂的浓度远高于N₂O，质谱测量之前一定要去除CO₂。这样增加了前处理过程，也带来了系统误差。类似的，采用质谱仪测量CO₂中的¹³C的丰度是，¹³CO₂分子量是45，而¹⁵N¹⁴N¹⁶O也是45，且¹²C¹⁷O¹⁶O的分子量也是45，这些都是系统误差的一部分，而采用光谱的方法，N₂O和CO₂的特征吸收峰互相并无干扰，能够消除此类的影响。其次，激光光谱技术能够分辨同位素异构体。N₂O是一种现行排布的分子(N-O-N)，有两种主要的含有¹⁵N原子的同位素异构体分子。中间为¹⁵N的分子(¹⁴N¹⁵N¹⁶O)和末端为¹⁵N的分子(¹⁵N¹⁴N¹⁶O)分别被命名为¹⁵N^α和¹⁵N^β。这两种同位素异构体分子有着不同的光谱吸收峰可以清晰的区别开，而使用质谱的方法是难以进行区分的。分辨异构体功能丰富了氮循环的描绘手段，可量化N₂O的源和汇。同时，光谱的高频连续测量(秒级)，是质谱设备无法达到的，大量同位素原位在线连续测量，可积累更丰富的数据，为应用同位素数据开辟了一个广阔的方向。

由于重同位素分子浓度低，特别是多组分与多同位素丰度的实时分析，其光谱测量技术依然很缺乏。近年来发展的腔增强吸收光谱技术基于高精细谐振腔，将气体的有效吸收光程提高至千米以上量级，相比传统的激光吸收光谱技术，具有更高的探测灵敏度和测量精度，可实时在线检测气体同位素丰度，丰富了气体的光谱信息，在气体探测方面获得越来越多的关注。本发明提出的双光束腔增强光谱技术，利用两个室温工作的连续QCL与腔增强光谱技术结合，同时检测CO₂和N₂O浓度及其稳定同位素丰度，为开展小型化的多组分气体与同位素丰度原位实时探测研究提供新思路和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置及方法，该探测装置及方法能够实现大气CO₂、N₂O多组分稳定同位素动态高效探测。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明涉及一种基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，包括信号发生器、QCL激光器一、QCL激光器二、QCL激光控制器一、QCL激光控制器二、平面反射镜组件一、平面反射镜组件二、积分腔、聚焦透镜、MCT探测器和信号处理系统。所述信号发生器的输出端分别接QCL激光控制器一的输入端、QCL激光控制器二的输入端；所述QCL激光控制器一的输出端接QCL激光器一的输入端；所述QCL激光控制器二的输出端接QCL激光器二的输入端；所述平面反射镜组件一设置在QCL激光器一的前方光路上；所述平面反射镜组件二设置在QCL激光器二的前方光路上；所述QCL激光器一发出的激光束经平面反射镜组件一反射后入射到积分腔内；所述QCL激光器二发出的激光束经平面反射镜组件二反射后入射到积分腔内；所述QCL激光器一和QCL激光器二发出的激光束入射到积分腔的方向不同；所述积分腔上开设有进气口和出气口，且积分腔的前后两端分别安装有前端腔镜和后端腔镜；所述聚焦透镜位于积分腔的后侧，由后端腔镜透射出的光束经聚焦透镜聚焦到MCT探测器；所述MCT探测器的输出端接信号处理系统的输入端；所述信号处理系统与信号发生器交互式连接。

进一步的，所述积分腔入口连接有真空泵，且真空泵与积分腔入口之间的管路上设有进气阀；所述积分腔的出口连接有质量流量控制器，且质量流量控制器与积分腔出口之间的管路上设有出气阀；所述积分腔上还安装有温度传感器；所述真空泵、质量流量控制器、温度传感器的输出端均与信号处理系统的输入端相连；所述真空泵为真空隔膜泵；所述质量流量控制器具有压力传感器。

进一步的，所述QCL激光器一和QCL激光器二均工作在室温下；所述QCL激光器一和QCL激光器二分别用于探测CO₂、N₂O稳定同位素；所述QCL激光器一的工作波长为4.32μm，其用于测量大气中¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁶O¹²C¹⁸O分子的δ¹³C和δ¹⁸O同位素丰度；所述QCL激光器二的工作波长为4.57um，其用于测量大气中的¹⁴N¹⁴N¹⁶O、¹⁴N¹⁵N¹⁶O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O分子的δ¹⁵N^α和δ¹⁵N^β同位素丰度。

进一步的，所述前端腔镜和后端腔镜均为平凹高反镜；前端腔镜和后端腔镜分别形成积分腔的前端面和和后端面，积分腔的基底材料为硒化锌。所述平凹高反镜的镜片厚度为4mm，直径为25.4mm，凹面的曲率半径为1000mm；所述平凹高反镜的平面上镀有增透膜，凹面上镀有高反介质膜；所述平凹高反镜在工作波长4.57um处的反射率大于99.99％，在工作波长4.32um处的反射率为99.9％。

进一步的，所述平面反射镜组件一包括倾斜设置且相互平行的反射镜一与反射镜二；所述平面反射镜组件二包括倾斜设置且相互平行的反射镜三与反射镜四。所述平面反射镜组件一，用于调节QCL激光器一发射的激光进入积分腔的位置和角度。所述平面反射镜组件二，用于调节QCL激光器二发射的激光进入积分腔的位置和角度。

本发明还涉及一种上述基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置的探测方法，该方法包括以下步骤：

(1)信号发生器将其生成的低频分时扫描三角波信号、高频调制正弦信号和双路±1V范围内可调的直流输出三种信号混合叠加后，分别输入至QCL激光控制器一和QCL激光控制器二，QCL激光控制器一扫描和调制QCL激光器一的输出波长，QCL激光控制器二扫描和调制QCL激光器二的输出波长；双路±1V范围内可调的直流输出信号，用作QCL激光控制器一和QCL激光控制器二的波长反馈控制，根据MCT探测器得到的CO₂、N₂O气体同位素分子吸收谱线的峰值位置，对应QCL激光器电流与波长的调谐系数，减小或增大注入QCL激光控制器一、QCL激光控制器二的电流，从而改变QCL激光器一、QCL激光器二的输出波长，实现锁频控制。

(2)通过积分腔的进气口向积分腔内充入样气，通过积分腔的出气口将积分腔内的样气排出，使积分腔内循环充满检测样气，同时结合质量流量控制器和真空隔膜泵，在积分腔内形成稳定的100mbar低压；QCL激光器一和QCL激光器二均工作在室温下，QCL激光器一发射出的准直光束通过平面反射镜组件一调整入射角度后经前端腔镜进入积分腔内，QCL激光器二发射出的准直光束通过平面反射镜组件二调整入射角度后经前端腔镜进入积分腔内；QCL激光器一和QCL激光器二射出的光束是由两个不同的位置与方向进入积分腔内，根据Herriott型多次反射池的设计要素，在确定积分腔的基长d和前端腔镜及后端腔镜的曲率半径r的情况下，改变入射光距离前端腔镜镜面中心的位置x和入射角度α，可以形成半径为x圆环上的光斑分布，因此两个QCL激光器的出射光在积分腔内形成各自独立的Herriott型多次反射光路，在积分腔两端腔镜面上呈现两个同心圆环形分布的反射光斑，最终由后端腔镜透射出。

(3)后端腔镜透射光束经过聚焦透镜聚焦到MCT探测器上，在MCT探测器中经过光电转化后得到多组分光谱信号，MCT探测器将多组分光谱信号发送至信号处理系统。

(4)结合信号发生器产生的高频调制参考信号，信号处理系统的锁相放大模块将接收到的多组分光谱信号解调出二次谐波信号，然后通过小波变换抑制背景噪声，由最小二乘拟合反演出CO₂、N₂O气体分子的浓度，根据同位素比值公式计算出相应的δ¹³C、δ¹⁸O及δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β同位素丰度，最后应用卡尔曼滤波技术在保持系统快速响应的同时优化同位素比值测量精度。

由以上技术方案可知，本发明设计实现了稳定高效的双光束腔增强光路系统，联合两个工作在室温下的QCL激光器，构建小型化的大气CO₂、N₂O多组分稳定同位素动态高效探测装置，这种双光束腔增强光谱结构，不用增加合束的光学耦合元件，避免了传统耦合光学元件引起的功率波动与损耗，降低了系统的硬件成本，有利于探测装置的集成，可实现多组分气体同位素丰度原位实时探测。本发明的主要创新点之一为双光束腔增强光谱的入射方式，不增加光电耦合器件，避免引入光电器件噪声，减低装置成本，有利于小型化集成化；创新点之二为多组分同位素的测量，在一个积分腔内实现多种同位素比值的测量，提高了科学测量工具的效率，丰富了温室气体的光谱信息测量，为深入分析温室气体源汇及相关气象观测提供技术支撑。本发明研究双光束腔增强中的波长调制、锁频控制及信号处理等关键问题，为我国开展污染源汇识别等大气环境监测领域提供新方法与新技术。本发明可推广到其他多组分同位素丰度探测系统与方法中，开展污染源汇识别等大气环境监测领域提供新方法与新技术。

附图说明

图1为本发明中基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置的结构示意图；其中，1为QCL激光控制器一，2为QCL激光器一；21为反射镜一，22为反射镜二，3为QCL激光控制器二，4为QCL激光器二，41为反射镜三，42为反射镜四，5为信号发生器，6为信号处理系统，7为积分腔，71为进气阀，72为出气阀，73为具有压力传感的质量流量控制器，74为真空泵，75为温度传感器，76为前端腔镜，77为后端腔镜，8为聚焦透镜，9为MCT探测器。

图2为双光束激光耦合进积分腔后在镜面上的光斑分布图。其中，每个反射镜上的两个圆环各有11个光斑，光斑分布在图中半径分别为5mm和7mm的圆上；图中的镜片直径尺寸为25.4mm。

图3为4.32um的CO₂同位素分子的吸收谱线。

图4为4.57um的N₂O同位素分子的吸收谱线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，包括信号发生器5、QCL激光器一2、QCL激光器二4、QCL激光控制器一1、QCL激光控制器二3、平面反射镜组件一、平面反射镜组件二、积分腔7、聚焦透镜8、MCT探测器9和信号处理系统6。所述信号发生器5的输出端分别接QCL激光控制器一1的输入端、QCL激光控制器二3的输入端；所述QCL激光控制器一1的输出端接QCL激光器一2的输入端；所述QCL激光控制器二3的输出端接QCL激光器二4的输入端；所述平面反射镜组件一设置在QCL激光器一2的前方光路上；所述平面反射镜组件二设置在QCL激光器二4的前方光路上；所述QCL激光器一2发出的激光束经平面反射镜组件一反射后入射到积分腔7内；所述QCL激光器二4发出的激光束经平面反射镜组件二反射后入射到积分腔7内；所述QCL激光器一2和QCL激光器二4发出的激光束入射到积分腔7的方向不同；所述积分腔7上开设有进气口和出气口，且积分腔7的前后两端分别安装有前端腔镜76和后端腔镜77；所述聚焦透镜8位于积分腔7的后侧，由后端腔镜77透射出的光束经聚焦透镜8聚焦到MCT探测器9；所述MCT探测器9的输出端接信号处理系统6的输入端；所述信号处理系统6与信号发生器5交互式连接。

所述QCL激光控制器一1，用于控制QCL激光器一2的工作温度和工作电流；所述QCL激光控制器二3，用于控制QCL激光器二4的工作温度和工作电流，以此来控制激两个QCL激光器的输出波长和功率。所述积分腔7，用于容纳待测气体，积分腔7的左右两端开口处安装的前端腔镜76和后端腔镜77必须满足稳定谐振腔的条件。所述信号发生器5，用于产生小于100Hz低频分时扫描信号、大于10KHz的高频可变调制信号和双路±1V范围内可调的直流分出。信号发生器分别连接工作波长为4.32um的QCL激光控制器一1和工作波长为4.57um的QCL激光控制器二。QCL激光控制器一1和QCL激光控制器二3，用于调制两个QCL激光器的输出波长及锁定目标频率，并对输出波长进行扫描，使QCL激光器一2和QCL激光器二4的输出激光在所测气体的吸收波长范围内扫描。信号发生器5同时连接信号处理系统6，分时扫描信号提供信号的采样时钟，高频调制信号用于信号处理系统6的谐波解调，同时信号处理系统6判断两个QCL激光器的波长漂移情况，反馈到信号发生器5，通过改变双路±1V范围内可调的直流输出锁定目标波长。信号处理系统6对MCT探测器9光电转化后的信号进行谐波解调、背景去噪和拟合算法处理，反演计算出所测同位素气体的浓度和稳定同位素丰度。所述MCT探测器9(碲镉汞探测器)，用于探测透射的光信号，将其转换为电信号。

进一步的，所述积分腔7入口连接有真空泵74，且真空泵74与积分腔入口之间的管路上设有进气阀71；所述积分腔7的出口连接有质量流量控制器73，且质量流量控制器73与积分腔出口之间的管路上设有出气阀72；所述积分腔7上还安装有温度传感器75；所述真空泵74、质量流量控制器73、温度传感器75的输出端均与信号处理系统6的输入端相连；所述真空泵74为真空隔膜泵；所述质量流量控制器73具有压力传感器。所述温度传感器75用于探测积分腔7的工作温度，并将温度信息发送到信号处理系统6。所述质量流量控制器73，用于控制积分腔7的进出气，保证积分腔7内压力恒定。所述真空泵74和质量流量控制器73联用，用于控制积分腔7内的压力，使积分腔7稳定在一定的压力下，并控制积分腔7的进出气。所述质量流量控制器73自带的压力传感器，用于探测积分腔7内部的压力信号，并将压力信息发送到信号处理系统6。

进一步的，所述QCL激光器一2和QCL激光器二4均工作在室温下；所述QCL激光器一2和QCL激光器二4分别用于探测CO₂、N₂O稳定同位素；所述QCL激光器一2的工作波长为4.32μm，其用于测量大气中¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁶O¹²C¹⁸O分子的δ¹³C和δ¹⁸O同位素丰度；所述QCL激光器二4的工作波长为4.57um，其用于测量大气中的¹⁴N¹⁴N¹⁶O、¹⁴N¹⁵N¹⁶O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O分子的δ¹⁵N^α和δ¹⁵N^β同位素丰度。

进一步的，所述前端腔镜76和后端腔镜77均为平凹高反镜；前端腔镜76和后端腔镜77分别形成积分腔7的前端面和和后端面，积分腔7的基底材料为硒化锌。所述平凹高反镜的镜片厚度为4mm，直径为25.4mm，凹面的曲率半径为1000mm；所述平凹高反镜的平面上镀有增透膜，凹面上镀有高反介质膜；所述平凹高反镜在工作波长4.57um处的反射率大于99.99％，在工作波长4.32um处的反射率为99.9％。因为空气中CO₂含量比N₂O含量高百倍，同时CO₂在4.32um和N₂O在4.57um的各同位素分子吸收线强相当，为了平衡各同位素分子测量的动态量程，故选择腔镜膜层的反射率在4.32um处低于4.57um处。由于大气中CO₂的吸光度比N₂O高，不同波段的反射率得到的有效光程不同，大气中CO2的吸光度相对较高，则要求其测量波段的反射率较低，有效光程相对较短；N2O的吸光度较低，则要求其测量波段的反射率较高，有效光程相对较长。考虑到MCT探测器测量的线性区间，根据Lambert-Beer定律(I＝I₀exp(-αLc)，其中，I为探测光强，I₀为初始入射光强，α为吸光度，L为有效吸收光程，c为分子浓度)，对平凹高反镜镀膜的反射率进行设置，以在腔增强吸收光谱中平衡CO₂和N₂O的有效光程L＝d/(1-R)，其中，d为积分腔基长，R为两腔镜的反射率。

进一步的，所述平面反射镜组件一包括倾斜设置且相互平行的反射镜一21与反射镜二22；所述平面反射镜组件二包括倾斜设置且相互平行的反射镜三41与反射镜四42。平面反射镜组件一，用于改变波长为4.32μm的QCL激光器一2输出的激光的路径，调节激光入射到积分腔7的角度与位置，使激光满足光在积分腔7内多次反射的入射条件；平面反射镜组件二，用于改变波长为4.57μm的QCL激光器二4输出的激光的路径，调节激光入射到积分腔7的角度与位置，使激光满足光在积分腔7内多次反射的入射条件。所述反射镜一21、反射镜二22、反射镜三23和反射镜四24均为金膜反射镜。经平面反射镜组件一反射的激光束和经平面反射镜组件二反射的激光束分别从两个不同的方向耦合入射到积分腔7内，再由后端腔镜77透射出去，然后再由聚焦透镜8聚焦至MCT探测器上9。

本发明还涉及一种上述基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置的探测方法，该方法包括以下步骤：

(1)信号发生器5将其产生的低频分时扫描三角波信号、高频调制正弦信号和双路±1V范围内可调的直流输出信号三种信号混合叠加后，分别输入至QCL激光控制器一1和QCL激光控制器二3，QCL激光控制器一1扫描和调制QCL激光器一2的输出波长，QCL激光控制器二3扫描和调制QCL激光器二4的输出波长。双路±1V范围内可调的直流输出信号，用作QCL激光控制器一1和QCL激光控制器二3的波长反馈控制，根据MCT探测器9得到的CO₂、N₂O气体同位素分子吸收谱线的峰值位置，对应QCL激光器一2与QCL激光器二4的电流与波长的调谐系数，减小或增大注入QCL激光控制器一1、QCL激光控制器二2的电流，从而改变QCL激光器一2、QCL激光器二3的输出波长，实现锁频控制。

(2)通过积分腔的进气口向积分腔内充入样气，通过积分腔的出气口将积分腔内的样气排出，使积分腔内循环充满检测样气，同时结合质量流量控制器和真空隔膜泵，在积分腔内形成稳定的100mbar低压。QCL激光器一2和QCL激光器二4均工作在室温下，QCL激光器一2发射出的准直光束通过平面反射镜组件一调整入射角度后经前端腔镜76进入积分腔7内，QCL激光器二4发射出的准直光束通过平面反射镜组件二调整入射角度后经前端腔镜76进入积分腔7内；QCL激光器一2和QCL激光器二4射出的光束是由两个不同的位置与方向进入积分腔7内，根据Herriott型多次反射池的设计要素，在确定积分腔7的基长d和前端腔镜76及后端腔镜77的曲率半径r的情况下，改变入射光距离前端腔镜76镜面中心的位置x和入射角度α，可以形成半径为x圆环上的光斑分布，因此两个QCL激光器的出射光在积分腔7内形成各自独立的Herriott型多次反射光路，在积分腔两端腔镜面上呈现两个同心圆环形分布的反射光斑，最终由后端腔镜77透射出。

(3)后端腔镜77透射光束经过聚焦透镜8聚焦到MCT探测器9上，在MCT探测器9中经过光电转化后得到多组分光谱信号，MCT探测器9将多组分光谱信号发送至信号处理系统6。

(4)结合信号发生器5产生的高频调制参考信号，信号处理系统6的锁相放大模块将接收到的多组分光谱信号解调出二次谐波信号，然后通过小波变换抑制背景噪声，由最小二乘拟合反演出CO₂、N₂O气体分子的浓度，根据同位素比值公式计算出相应的δ¹³C、δ¹⁸O及δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β同位素丰度，最后应用卡尔曼滤波技术在保持系统快速响应的同时优化同位素比值测量精度。

本发明所述的探测方法能够有效降低1/f噪声，提高探测灵敏度；二次谐波信号的采样周期由信号发生器产生的方波时钟控制；信号处理系统将解调的二次谐波信号做去噪、背景扣除、拟合、浓度反演和同位素丰度计算等处理，反演出CO₂、N₂O气体分子的浓度和相应的δ¹³C、δ¹⁸O及δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β同位素丰度。

本发明的工作原理是：

本发明利用双光束腔增强技术是基于Lambert-Beer定律的吸收光谱技术。根据多光束干涉原理，经过积分腔内气体吸收后的透射光，由聚焦透镜聚焦在MCT探测器上，MCT探测器接收到的探测信号的表达式为：

其中，I₀为无吸收时透过积分腔的光强，υ为光束频率，I为有吸收时透过积分腔的光强，d是两腔镜之间的距离，等于腔长，R为腔镜镜面反射率，α(υ)为目标气体分子的吸收系数。

两个QCL激光控制器通过设置温度和电流来调节两个QCL激光器的工作波长。多功能信号发生器将产生的小于100Hz低频分时扫描信号、大于10KHz高频调制信号和双路±1V范围内可调的直流输出，三种信号混合叠加后进入激光控制器，扫描和调制两个QCL激光器的输出波长。两个QCL激光器经过准直由平面反射镜组件作为模式匹配镜调节入射角度进入积分腔内，在积分腔内形成各自稳定的驻波分布，然后由后端腔镜透射到聚焦透镜上，再由聚焦透镜聚焦到MCT探测器，光学积分能量经MCT探测器光电转换进入到信号处理系统。信号处理系统中的锁相放大模块将CO₂、N₂O光谱吸收信号解调为二次谐波形式，这样能够有效降低1/f噪声，提高探测灵敏度。二次谐波信号的采样周期由多功能信号发生器产生的方波时钟控制。信号处理系统将解调的二次谐波信号做去噪、背景扣除、浓度拟合和卡尔曼滤波等处理，反演出CO₂、N₂O气体分子的浓度和¹³C、δ¹⁸O、δ¹⁵N^α、及δ¹⁵N^β同位素丰度。

图2为双光束激光耦合进积分腔后在镜面上的光斑分布图。以符合Herriott型光学池的一组积分腔的关键光学参数为例，腔体基长(即两腔镜面的中心间距)为15.8cm，两腔镜的曲率为1m，两束光的入射位置分别在距镜面中心5mm和7mm的半径上，最终在每个反射镜上形成两个同心圆，每个圆上分布11个光斑，其中入射位置为In-1的光斑分布在图中7mm的圆上，入射位置为In-2的光斑分布在半径为5mm的圆上，图中镜片的直径尺寸为25.4mm。由于两镜片参数满足稳定腔的条件，同时符合Herriott型多次反射池的光学参数设计，可以实现光路在积分腔内多次稳定的反射，激光在两个镜片间稳定传输，多次稳定反射，实现较长的光程。所述积分腔为光学无源谐振腔。

图3为4.32um处CO₂同位素分子吸收谱线图。图4为4.57um处N₂O同位素分子吸收谱线图。从图3和图4可以看出，CO₂和N₂O同位素分子的吸收谱线波长相近，相差小于300nm，在现有的镀膜技术下，可以同时满足设定波长范围内的反射率要求；同时由两图上方的模拟吸光度可知，大气中CO₂同位素分子的吸光度比N₂O高一个量级，通过加工符合要求的腔镜高反膜，平衡两种同位素气体的有效吸收光程，可以用一个积分腔和探测器实现CO₂和N₂O稳定同位素的同时测量。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，其特征在于：包括信号发生器、QCL激光器一、QCL激光器二、QCL激光控制器一、QCL激光控制器二、平面反射镜组件一、平面反射镜组件二、积分腔、聚焦透镜、MCT探测器和信号处理系统；所述信号发生器的输出端分别接QCL激光控制器一的输入端、QCL激光控制器二的输入端；所述QCL激光控制器一的输出端接QCL激光器一的输入端；所述QCL激光控制器二的输出端接QCL激光器二的输入端；所述平面反射镜组件一设置在QCL激光器一的前方光路上；所述平面反射镜组件二设置在QCL激光器二的前方光路上；所述QCL激光器一发出的激光束经平面反射镜组件一反射后入射到积分腔内；所述QCL激光器二发出的激光束经平面反射镜组件二反射后入射到积分腔内；所述QCL激光器一和QCL激光器二发出的激光束入射到积分腔的方向不同；所述积分腔上开设有进气口和出气口，且积分腔的前后两端分别安装有前端腔镜和后端腔镜；所述聚焦透镜位于积分腔的后侧，由后端腔镜透射出的光束经聚焦透镜聚焦到MCT探测器；所述MCT探测器的输出端接信号处理系统的输入端；所述信号处理系统与信号发生器交互式连接；所述积分腔的进气口连接有真空泵，且真空泵与积分腔的进气口之间的管路上设有进气阀；所述积分腔的出气口连接有质量流量控制器，且质量流量控制器与积分腔的出气口之间的管路上设有出气阀；所述积分腔上还安装有温度传感器；所述真空泵、质量流量控制器、温度传感器的输出端均与信号处理系统的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，其特征在于：所述真空泵为真空隔膜泵；所述质量流量控制器具有压力传感器。

3.根据权利要求1所述的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，其特征在于：所述QCL激光器一和QCL激光器二均工作在室温下；所述QCL激光器一和QCL激光器二分别用于探测CO₂、N₂O稳定同位素；所述QCL激光器一的工作波长为4.32μm，其用于测量大气中¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁶O¹²C¹⁸O分子的δ¹³C和δ¹⁸O同位素丰度；所述QCL激光器二的工作波长为4.57um，其用于测量大气中的¹⁴N¹⁴N¹⁶O、¹⁴N¹⁵N¹⁶O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O分子的δ¹⁵N^α和δ¹⁵N^β同位素丰度。

4.根据权利要求1所述的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，其特征在于：所述前端腔镜和后端腔镜均为平凹高反镜；前端腔镜和后端腔镜分别形成积分腔的前端面和和后端面，积分腔的基底材料为硒化锌；所述平凹高反镜的镜片厚度为4mm，直径为25.4mm，凹面的曲率半径为1000mm；所述平凹高反镜的平面上镀有增透膜，凹面上镀有高反介质膜；所述平凹高反镜在工作波长4.57um处的反射率大于99.99％，在工作波长4.32um处的反射率为99.9％。

5.根据权利要求1所述的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置，其特征在于：所述平面反射镜组件一包括倾斜设置且相互平行的反射镜一与反射镜二，所述平面反射镜组件一，用于调节QCL激光器一发射的激光进入积分腔的位置和角度；所述平面反射镜组件二包括倾斜设置且相互平行的反射镜三与反射镜四，所述平面反射镜组件二，用于调节QCL激光器二发射的激光进入积分腔的位置和角度。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的基于双光束腔增强光谱技术的CO₂、N₂O稳定同位素同时探测装置的探测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)信号发生器将其生成的低频分时扫描三角波信号、高频调制正弦信号和双路±1V范围内可调的直流输出三种信号混合叠加后，分别输入至QCL激光控制器一和QCL激光控制器二，QCL激光控制器一扫描和调制QCL激光器一的输出波长，QCL激光控制器二扫描和调制QCL激光器二的输出波长；双路±1V范围内可调的直流输出信号，用作QCL激光控制器一和QCL激光控制器二的波长反馈控制，根据MCT探测器得到的CO₂、N₂O气体同位素分子吸收谱线的峰值位置，对应QCL激光器电流与波长的调谐系数，减小或增大注入QCL激光控制器一、QCL激光控制器二的电流，从而改变QCL激光器一、QCL激光器二的输出波长，实现锁频控制；

(2)通过积分腔的进气口向积分腔内充入样气，通过积分腔的出气口将积分腔内的样气排出，使积分腔内循环充满检测样气，同时结合质量流量控制器和真空隔膜泵，在积分腔内形成稳定的100mbar低压；QCL激光器一和QCL激光器二均工作在室温下，QCL激光器一发射出的准直光束通过平面反射镜组件一调整入射角度后经前端腔镜进入积分腔内，QCL激光器二发射出的准直光束通过平面反射镜组件二调整入射角度后经前端腔镜进入积分腔内；QCL激光器一和QCL激光器二射出的光束是由两个不同的位置与方向进入积分腔内，根据Herriott型多次反射池的设计要素，在确定积分腔的基长d和前端腔镜及后端腔镜的曲率半径r的情况下，改变入射光距离前端腔镜镜面中心的位置x和入射角度α，可以形成半径为x圆环上的光斑分布，因此两个QCL激光器的出射光在积分腔内形成各自独立的Herriott型多次反射光路，在积分腔两端腔镜面上呈现两个同心圆环形分布的反射光斑，最终由后端腔镜透射出；

(3)后端腔镜透射光束经过聚焦透镜聚焦到MCT探测器上，在MCT探测器中经过光电转化后得到多组分光谱信号，MCT探测器将多组分光谱信号发送至信号处理系统；

(4)结合信号发生器产生的高频调制参考信号，信号处理系统的锁相放大模块将接收到的多组分光谱信号解调出二次谐波信号，然后通过小波变换抑制背景噪声，由最小二乘拟合反演出CO₂、N₂O气体分子的浓度，根据同位素比值公式计算出相应的δ¹³C、δ¹⁸O及δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β同位素丰度，最后应用卡尔曼滤波技术在保持系统快速响应的同时优化同位素比值测量精度。

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