CN112683846B

CN112683846B - 痕量气体探测装置及方法

Info

Publication number: CN112683846B
Application number: CN202110011017.7A
Authority: CN
Inventors: 胡水明; 王进
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-01-05
Also published as: CN112683846A

Abstract

本公开提供了一种痕量气体探测装置，包括：激光器模块；光学谐振腔，包括腔体和两块反射镜，其中，腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，两块反射镜垂直腔体的轴线放置于腔体的两端；透镜组，位于激光器模块和光学谐振腔之间；光电探测模块，用于接收光学谐振腔出射的光信号，并将光信号转换为电信号；反馈控制模块；光谱扫描控制模块，用于产生扫描信号，并将扫描信号发送给光学谐振腔，以改变光学谐振腔的腔长，使光学谐振腔出射多个光信号；以及数据采集模块，用于在光电探测模块将多个光信号转换为多个电信号后，接收多个电信号，并生成痕量气体的分子吸收光谱。此外，本公开还提供了一种使用该装置进行的痕量气体探测的方法。

Description

痕量气体探测装置及方法

技术领域

本公开涉及激光测量技术领域，更具体地，涉及一种痕量气体探测装置及方法。

背景技术

痕量气体是指大气中含量在百万分之一以下的气体，目前常使用激光光谱法进行痕量气体的探测，其中，分子双共振吸收光谱技术通过探测分子在不同激发态之间跃迁时的吸收光谱信号，实现零背景、高灵敏度、高分辨探测。

然而由于分子的近红外振转跃迁矩很小，在常温环境下，现有技术中常用的连续波半导体激光器的激光功率无法满足使分子跃迁饱和的需求。同时，为了增强分子的饱和效应，现有技术需要10Pa以下的低压测量环境，对测量灵敏度提出了更高的要求。

在实现本公开的过程发现，现有的分子吸收光谱设备或方法在常压下测得的吸收信号的强度较差，测量灵敏度较低，分辨率较低。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种痕量气体探测装置及方法。

本公开的一方面提供了一种痕量气体探测装置，包括：激光器模块、光学谐振腔、透镜组、光电探测模块、反馈控制模块、光谱扫描控制模块和数据采集模块。其中，上述激光器模块用于产生第一激光信号和第二激光信号；上述光学谐振腔包括腔体和两块反射镜，其中，上述腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，上述两块反射镜垂直上述腔体的轴线放置于上述腔体的两端；上述透镜组位于上述激光器模块和上述光学谐振腔之间，用于将上述第一激光信号和上述第二激光信号耦合到上述光学谐振腔中；上述光电探测模块用于接收上述光学谐振腔出射的光信号，并将上述光信号转换为电信号；上述反馈控制模块用于响应上述电信号，调节上述第一激光信号和上述第二激光信号的频率；上述光谱扫描控制模块用于产生扫描信号，并将上述扫描信号发送给上述光学谐振腔，以改变上述光学谐振腔的腔长，使上述光学谐振腔出射多个上述光信号；上述数据采集模块用于在上述光电探测模块将多个上述光信号转换为多个上述电信号后，接收多个上述电信号，并生成上述痕量气体的分子吸收光谱。

根据本公开的实施例，上述激光器模块包括第一激光器和第二激光器。其中，上述第一激光器用于发射上述第一激光信号，上述第一激光信号用于将上述痕量气体分子从基态激发到第一激发态；上述第二激光器用于发射上述第二激光信号，上述第二激光信号用于将上述痕量气体分子从上述第一激发态激发到第二激发态。

根据本公开的实施例，上述第一激光信号的频率和上述第一激光信号的频率不同。

根据本公开的实施例，上述反射镜包括第一端面和第二端面。其中，两个上述反射镜的第一端面相对设置，两个上述反射镜的第一端面与上述腔体构成上述光学谐振腔，两个上述反射镜的第一端面镀有反射膜层，所述反射膜层用于反射上述第一激光信号和上述第二激光信号，使上述痕量气体的分子跃迁产生跃迁吸收信号；两个上述反射镜的第二端面镀有增透膜层，所述增透膜层用于使上述跃迁吸收信号中的上述痕量气体分子从上述第一激发态激发到上述第二激发态时的吸收信号通过上述第二端面，形成光信号。

根据本公开的实施例，上述光学谐振腔还包括驱动装置，上述驱动装置固定在其中一块上述反射镜上，用于响应上述扫描信号，推动上述反射镜沿上述腔体的轴线方向运动，以改变上述光学谐振腔的上述腔长。

根据本公开的实施例，上述反馈控制模块包括射频信号源、检相模块、比例积分微分放大模块和激光频率调制器。其中，上述射频信号源用于产生射频信号，并使用上述射频信号调制上述电信号，得到射频调制信号；上述检相模块用于解调上述射频调制信号为误差信号；上述比例积分微分放大模块用于将上述误差信号转换为上述反馈信号，并将上述反馈信号发送给激光频率调制器；上述激光频率调制器用于响应反馈信号调节上述第一激光信号的频率和上述第二激光信号的频率。

根据本公开的实施例，上述数据采集模块还用于根据上述痕量气体的分子吸收光谱计算得到上述痕量气体的浓度，其中，上述痕量气体的分子吸收光谱的谱线面积与上述痕量气体的浓度线性相关。

本公开的另一方面提供了一种痕量气体探测方法，包括将含有痕量气体的待测气体填充入光学谐振腔中；使用激光器模块发射两个不同频率的激光信号，并通过透镜组耦合进上述光学谐振腔中；使用光电探测模块接收上述光学谐振腔出射的光信号，将上述光信号转换为电信号，并将上述电信号分别发送给反馈控制模块和数据采集模块；通过上述反馈控制模块根据上述电信号调节上述激光器模块发射的上述两个激光信号的频率；通过光谱扫描控制模块改变上述光学谐振腔的腔长，使上述光学谐振腔出射多个光信号；使用上述光电探测模块接收上述多个光信号并转换为多个电信号；以及使用上述数据采集模块采集上述多个电信号，生成上述痕量气体的分子吸收光谱。

根据本公开的实施例，使用上述激光器模块发射的不同频率的激光信号分别将上述光学谐振腔中的痕量气体分子从基态激发到第一激发态以及从第一激发态激发到第二激发态。

根据本公开的实施例，使用驱动装置改变所述光学谐振腔的腔长，间接实现激光的频率扫描。

根据本公开的实施例，使用上述数据采集模块根据上述痕量气体的分子吸收光谱计算得到上述痕量气体的浓度。

根据本公开实施例的痕量气体探测装置和方法，通过腔增强手段，间接提高了激光器的激光功率，提升了分子跃迁的饱和度，实现了常压条件下的痕量气体分子吸收光谱探测，解决了现有装置测得的吸收光谱的信号强度差、灵敏度低、分辨率低等问题。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的痕量气体探测装置100的示意图；

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体探测装置200的示意图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体分子的双共振吸收光谱的示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体分压与其双共振跃迁谱线面积的关系示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的痕量气体探测方法500的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

本公开的实施例提供了一种痕量气体探测装置，包括激光器模块、光学谐振腔、透镜组、光电探测模块、反馈控制模块、光谱扫描控制模块和数据采集模块。其中，激光器模块用于产生第一激光信号和第二激光信号；光学谐振腔包括腔体和两块反射镜，其中，腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，两块反射镜垂直腔体的轴线放置于腔体的两端；透镜组位于激光器模块和光学谐振腔之间，用于将第一激光信号和第二激光信号耦合到光学谐振腔中；光电探测模块用于接收光学谐振腔出射的光信号，并将光信号转换为电信号；反馈控制模块用于响应电信号，调节第一激光信号和第二激光信号的频率；光谱扫描控制模块用于产生扫描信号，并将扫描信号发送给光学谐振腔，以改变光学谐振腔的腔长，使光学谐振腔出射多个光信号；数据采集模块用于在光电探测模块将多个光信号转换为多个电信号后，接收多个电信号，并生成痕量气体的分子吸收光谱。

图1示意性示出了根据本公开实施例的痕量气体探测装置100的示意图。

如图1所示，本公开实施例的痕量气体探测装置100包括激光器模块110、光学谐振腔120、透镜组130、光电探测模块140、反馈控制模块150、光谱扫描控制模块160和数据采集模块170。

根据本公开的实施例，激光器模块110用于产生第一激光信号和第二激光信号。激光器模块110是由具有波长或频率扫描功能的激光器组成，例如半导体激光器、光纤激光器、固体激光器等。激光器模块110可以是由一个双路激光器和外围器件组成，也可以是由两个单路激光器和外围器件组成。

根据本公开的实施例，光学谐振腔120包括腔体121和两块反射镜122，其中，腔体121用于装填含有痕量气体的待测气体，两块反射镜122垂直腔体的轴线放置于腔体的两端。反射镜122和腔体121可以通过胶连或者机械连接的方式结合，构成光学谐振腔120。

根据本公开的实施例，透镜组130位于激光器模块110和光学谐振腔120之间，用于将第一激光信号和第二激光信号耦合到光学谐振腔120中。通过调节透镜组130，可以调节光场的空间模式，使激光信号通过其中一块反射镜122，入射到光学谐振腔120中。

根据本公开的实施例，光电探测模块140用于接收光学谐振腔120出射的光信号，并将光信号转换为电信号。光电探测模块140的主体是光检测器，利用材料受光照射后导电性能会发生变化这一特性，将光信号转换为电信号。

根据本公开的实施例，反馈控制模块150用于响应电信号，调节第一激光信号和所述第二激光信号的频率。通过反馈控制模块150的频率调节，第一激光信号和第二激光信号的频率可以与光学谐振腔120的纵模频率匹配。根据本公开的实施例，光谱扫描控制模块160用于产生扫描信号，并将扫描信号发送给光学谐振腔120，以改变光学谐振腔120的腔长，使光学谐振腔120出射多个光信号。光谱扫描控制模块通过周期性地改变光程，间接改变了激光器模块110出射的激光信号的频率，使得光电探测模块140接收到不同频率下的分子吸收信号。

根据本公开的实施例，数据采集模块170用于在光电探测模块140将多个光信号转换为多个电信号后，接收多个电信号，并生成痕量气体的分子吸收光谱。数据采集模块170可以是例如计算机、单片机等可编程设备。

本公开实施例的痕量气体探测装置100实现了常压环境下的分子吸收光谱探测，具有光谱信号强度高、灵敏度高、分辨率高的特点。

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体探测装置200的示意图。

如图2所示，本公开的另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体探测装置200中，激光器模块110由两个外腔式半导体激光器组成，分别是第一激光器205和第二激光器206。其中，第一激光器205用于发射第一激光信号，第一激光信号用于将¹²C¹⁶O₂气体分子从基态激发到第一激发态。第二激光器206用于发射第二激光信号，第二激光信号用于将¹²C¹⁶O₂气体分子从第一激发态激发到第二激发态。根据本公开的另一实施例，第一激光信号的频率和第二激光信号的频率不同。

根据本公开的另一实施例，光学谐振腔120的腔体121内部充填待测气体，在腔体121上面还连接有一个压力计，用于测量腔中待测气体的总压力。

根据本公开的另一实施例，两块反射率达到99.995％的反射镜122和腔体121构成光学谐振腔120。反射镜122还包括第一端面1221和第二端面1222。其中，两个第一端面1221相对设置，与腔体121构成光学谐振腔120；两个第一端面1221镀有反射膜层，反射膜层用于反射第一激光信号和第二激光信号，使¹²C¹⁶O₂气体的分子跃迁产生跃迁吸收信号。两个第二端面1222镀有增透膜层，增透膜层用于使跃迁吸收信号中的¹²C¹⁶O₂气体分子从第一激发态激发到第二激发态时的吸收信号通过第二端面，形成光信号。

根据本公开的另一实施例，在其中一块反射镜122上还包括一个压电位移器207。压电位移器207通过胶连或机械连接的方式与一块反射镜122相连，用于响应扫描信号，推动反射镜沿腔体121的轴线方向运动，以改变光学谐振腔120的腔长。

根据本公开的另一实施例，从光学谐振腔120出射的光信号被光电探测模块140中的光检测器转化为电信号，并经过滤波放大，电信号的其中一路被送入反馈控制模块150。

根据本公开的另一实施例，反馈控制模块150包括射频信号源201、检相模块202、比例积分微分放大模块203、激光频率调制器204。

根据本公开的另一实施例，射频信号源201用于产生射频信号，并使用射频信号调制电信号，得到射频调制信号。

根据本公开的另一实施例，检相模块202用于解调射频调制信号为误差信号。

根据本公开的另一实施例，比例积分微分放大模块203用于将误差信号转换为反馈信号，并将反馈信号发送给激光频率调制器204。

根据本公开的另一实施例，激光频率调制器204用于响应反馈信号调节第一激光信号的频率和第二激光信号的频率，将第一激光信号的频率和第二激光信号的频率与光学谐振腔120的纵模频率匹配。激光频率调制器204包括但不限于电光调制器等。

根据本公开的另一实施例，使用一台计算机208实现了光谱扫描控制模块160和数据采集模块170的功能。电信号的另一路信号被计算机208进行记录，同时计算机208通过扫描信号，使压电位移器207移动其中一块反射镜122，从而间接改变了第一激光器205和第二激光器206的频率。激光信号的频率可以通过外接的频率测定设备(如单频激光和拍频设备)或事先标定腔长和压电位移器207的位移长度等方法来确定。

参考图3和图4，图3示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体分子的双共振吸收光谱的示意图，图4示意性示出了根据本公开另一实施例的¹²C¹⁶O₂气体分压与其双共振跃迁谱线面积的关系示意图。根据本公开的另一实施例，计算机208通过激光频率扫描过程，可以获取如图3所示的¹²C¹⁶O₂气体分子的双共振吸收谱。计算机208还可以根据如图4所示的¹²C¹⁶O₂气体分压与谱线面积的关系，计算得到¹²C¹⁶O₂气体分压及浓度。

如图5所示，该方法500包括操作S501～S507。

在操作S501中，将含有痕量气体的待测气体填充入光学谐振腔120中。

在操作S502中，使用激光器模块110发射两个不同频率的激光信号，并通过透镜组130耦合进光学谐振腔120中。

根据本公开的实施例，使用激光器模块110发射的不同频率的激光信号分别将光学谐振腔120中的痕量气体分子从基态激发到第一激发态以及从第一激发态激发到第二激发态。

在操作S503中，使用光电探测模块接收光学谐振腔出射的光信号，将光信号转换为电信号，并将电信号分别发送给反馈控制模块和数据采集模块。

在操作S504中，通过反馈控制模块根据电信号调节激光器模块发射的两个激光信号的频率。

根据本公开的实施例，使用射频信号源201、检相模块202和比例积分微分放大模块203将电信号转换为反馈信号，并利用反馈信号调节激光器模块110出射的激光信号的频率，使其与光学谐振腔120的纵模频率匹配。

在操作S505中，通过光谱扫描控制模块160改变光学谐振腔120的腔长，使光学谐振腔120出射多个光信号。

根据本公开的实施例，通过改变所述光学谐振腔120的腔长，可以间接实现激光的频率扫描。

在操作S506中，使用光电探测模块140接收多个光信号并转换为多个电信号。

在操作S507中，使用数据采集模块170采集多个电信号，生成痕量气体的分子吸收光谱。

根据本公开的实施例，使用数据采集模块170根据痕量气体的分子吸收光谱计算得到痕量气体的浓度。

根据本公开实施例的痕量气体探测装置和方法，实现了常压环境下的痕量气体分子吸收光谱探测，具有较高的信号强度、灵敏度和分辨率，具有实用性。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种痕量气体探测装置，包括：

激光器模块，用于产生第一激光信号和第二激光信号；

光学谐振腔，包括腔体和两块反射镜，其中，所述腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，所述两块反射镜垂直所述腔体的轴线放置于所述腔体的两端；

透镜组，位于所述激光器模块和所述光学谐振腔之间，用于将所述第一激光信号和所述第二激光信号耦合到所述光学谐振腔中；

光电探测模块，用于接收所述光学谐振腔出射的光信号，并将所述光信号转换为电信号；

反馈控制模块，用于响应所述电信号，调节所述第一激光信号和所述第二激光信号的频率；

光谱扫描控制模块，用于产生扫描信号，并将所述扫描信号发送给所述光学谐振腔，以改变所述光学谐振腔的腔长，使所述光学谐振腔出射多个所述光信号；以及

数据采集模块，用于在所述光电探测模块将多个所述光信号转换为多个所述电信号后，接收多个所述电信号，并生成所述痕量气体的分子吸收光谱；

其中，所述激光器模块包括：

第一激光器，用于发射所述第一激光信号，所述第一激光信号用于将所述痕量气体的分子从基态激发到第一激发态；以及

第二激光器，用于发射所述第二激光信号，所述第二激光信号用于将所述痕量气体的分子从所述第一激发态激发到第二激发态；

其中，所述反射镜包括第一端面和第二端面，其中，两个所述第二端面分别被配置为面向所述透镜组和所述光电探测模块，两个第二端面镀有增透膜层，所述增透膜层用于使跃迁吸收信号中的所述痕量气体的分子从所述第一激发态激发到所述第二激发态时的吸收信号通过所述第二端面，形成光信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一激光信号的频率和所述第二激光信号的频率不同。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，两个所述反射镜的第一端面相对设置，两个所述反射镜的第一端面与所述腔体构成所述光学谐振腔，两个所述反射镜的第一端面镀有反射膜层，所述反射膜层用于反射所述第一激光信号和所述第二激光信号，使所述痕量气体的分子跃迁产生跃迁吸收信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学谐振腔还包括：

驱动装置，固定在其中一块所述反射镜上，用于响应所述扫描信号，推动所述反射镜沿所述腔体的轴线方向运动，以改变所述光学谐振腔的所述腔长。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述反馈控制模块包括：

射频信号源，用于产生射频信号，并使用所述射频信号调制所述电信号，得到射频调制信号；

检相模块，用于解调所述射频调制信号为误差信号；

比例积分微分放大模块，用于将所述误差信号转换为所述反馈信号，并将所述反馈信号发送给激光频率调制器；以及

激光频率调制器，用于响应反馈信号调节所述第一激光信号的频率和所述第二激光信号的频率。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据采集模块还包括：

根据所述痕量气体的分子吸收光谱计算得到所述痕量气体的浓度，其中，所述痕量气体的分子吸收光谱的谱线面积与所述痕量气体的浓度线性相关。

7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的痕量气体探测装置进行痕量气体探测的方法，包括：

将含有痕量气体的待测气体填充入光学谐振腔中；

使用激光器模块发射两个不同频率的激光信号，并通过透镜组耦合进所述光学谐振腔中；

使用光电探测模块接收所述光学谐振腔出射的光信号，将所述光信号转换为电信号，并将所述电信号分别发送给反馈控制模块和数据采集模块；

通过所述反馈控制模块根据所述电信号调节所述激光器模块发射的所述两个激光信号的频率；

通过光谱扫描控制模块改变所述光学谐振腔的腔长，使所述光学谐振腔出射多个光信号；

使用所述光电探测模块接收所述多个光信号并转换为多个电信号；以及

使用所述数据采集模块采集所述多个电信号，生成所述痕量气体的分子吸收光谱；

其中，所述两个不同频率的激光信号包括用于将所述痕量气体的分子从基态激发到第一激发态的第一激光信号，和用于将所述痕量气体的分子从所述第一激发态激发到第二激发态的第二激光信号；

其中，所述光学谐振腔包括腔体和两块反射镜，所述反射镜包括第一端面和第二端面，其中，两个所述第二端面分别被配置为面向所述透镜组和所述光电探测模块，两个第二端面镀有增透膜层，所述增透膜层用于使跃迁吸收信号中的所述痕量气体的分子从所述第一激发态激发到所述第二激发态时的吸收信号通过所述第二端面，形成光信号。