CN113777068B - 一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，包括第一红外光梳光源、第二红外光梳光源、第一光栅、第二光栅、气样池、增强腔输入镜、增强腔输出镜、第三光栅、第四光栅、半波片、合束片、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器和频谱分析仪。本申请利用红外宽谱带双光梳光源对气体进行检测，针对不同气体分子的特征吸收峰，在气样池内放入多组相应波段的增强型高反射率腔镜，达到多波段光梳与分子相互作用的增强效果，解决了传统腔增强光谱技术存在的宽谱测量难题；通过采用双光梳光谱技术实现高分辨高精度的气体谱线测量，提升气体检测选择性和精确度的同时，结合腔增强技术增加了气体检测灵敏度与响应度，达到全面检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统。
背景技术
气体检测技术具有广泛应用价值，对避免和控制事故有着重要的指示意义，例如针对管道运输的泄露检测、化工生产的应急检测、电气设备的检修检测、污染排放的废气检测等。实际应用中，大多数被检测气体的浓度低，因此要求高灵敏度的气体监测手段。由于红外波段为气体分子振动和转动能级的强吸收光谱区，即指纹光谱区，因而通过测量吸收谱线可以表征气体分子，故在气体检测领域具有重要应用价值。目前，气体光谱检测方法有非色散红外法、傅立叶变换红外光谱法、差分光学吸收光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱和光声光谱技术等。
非色散红外法利用广谱光源检测特定气体，通过滤光片对红外波段进行选择，并基于气体选择吸收特性对气体分子进行分析。这项技术对特定气体分子分析具有快速、准确的优点；但是存在波段狭窄、选择性差，精度较低等问题，且测量结果易受到共存干扰物的影响。
傅里叶变换红外光谱技术通过迈克尔逊干涉仪使信号光和本征光产生干涉，并通过傅立叶变换转换得到红外光谱图，可以用于定性、定量的气体分析，其测量精度高、噪声低，常用于大气污染物的监测，但是其灵敏度低，难以实现百万分之一及以下的气体浓度检测。
差分光学吸收光谱通过探测气体差分吸收特性，并根据Beer-Lambert定律反演微量气体种类和浓度信息。此技术原理结构简单，且精度高；但该方法主要用于低吸光气体浓度的检测，且在光学介质均匀分布的非散射体系下应用，因此大大限制了其应用范围。
可调谐二极管激光吸收光谱技术采用频率或波长可调谐的半导体激光光源，通过频率扫描的方式，得到分子单根谱线的吸收光谱，再利用被测气体的分子指纹特性计算获得气体浓度、温度等信息。此技术具有高灵敏和高分辨率的优点，但是响应速度慢；此外受到光源调谐范围的限制，该技术应用范围有限。
光声光谱技术是一种基于光声效应和红外吸收理论的气体检测技术。其原理是气体分子吸收经过调制的激光后周期性地以“光—热—声”转换，并利用声传感器探测随波长变化的光声信号，以获得光声光谱，最后利用声波幅值与气体浓度的对应关系求出气体的浓度。由于无耗材和无机械结构，这项技术具有稳定性好、采样量少、寿命长等特点；但其难以实现现场连续采样检测，且容易受到现场环境变化和其他气体的干扰，测量精度较低。
因此，目前传统气体光谱检测技术存在测量耗时、精度低、分辨率低，以及探测灵敏度有限和对多组分气体定量分析困难等问题。
发明内容
针对现有气体光谱检测技术存在测量耗时、精度低、分辨率低，以及探测灵敏度有限和对多组分气体定量分析困难的技术问题，本发明提供一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，包括第一红外光梳光源、第二红外光梳光源、第一光栅、第二光栅、气样池、增强腔输入镜、增强腔输出镜、第三光栅、第四光栅、半波片、合束片、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器和频谱分析仪；其中，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源为两个微小重复频率差的红外光梳光源，所述第一红外光梳光源输出探测光通过第一光栅依据频率和衍射角不同的性质在空间上形成若干分束探测光，所述第二光栅与第一光栅平行配置用于调整若干分束探测光方向使其轴向入射到在相应波段具有高反特性的增强腔输入镜上，并在位于所述气样池内的增强腔输入镜和增强腔输出镜构成的含多组分气体样品的稳定光学谐振腔内振荡，被多组分不同波段的待测气体部分吸收，使探测光携带气体样品吸收谱的指纹信息，所述第三光栅和第四光栅组成的光栅对用于对增强腔输出镜输出的若干分束探测光在空间上合束为一路激光，所述第二红外光梳光源输出本征光通过半波片调节偏振，再和含有多组分气体指纹信息的探测光一起入射到与两束光路均呈45度的合束片上，所述本征光和探测光在合束片进行拍频合束，并通过合束片分束后分别入射到第一光电探测器和第二光电探测器上进行光电信号转换，所述差分放大器对电信号进行优化并放大后通过频谱分析仪采集，所述频谱分析仪利用傅立叶变换得到与待测气体浓度成正比关系的红外光谱强度信号，从而获得射频域吸收谱并识别气体的浓度与种类。
与现有技术相比，本发明提供的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统具有以下有益效果：1、利用红外宽谱带双光梳光源对气体进行检测，针对不同气体分子的特征吸收峰，在气体池内放入多组相应波段的增强型高反射率腔镜，达到多波段光梳与气体分子相互作用的增强效果，解决了传统的腔增强光谱技术存在的宽谱测量难题；2、通过采用双光梳光谱技术实现高分辨、高精度的气体谱线测量，提升气体检测的选择性同时结合腔增强技术，增加了气体检测的灵敏度与响应度，并能够同时获取多组分痕量气体分子的特征谱线信息，进而达到全面检测的效果；3、无需机械或光谱扫描，从传统光谱法的秒级测量速度提升到毫秒量级，从而实现快速响应成谱，增强了在不同波段气体分子对相应波段探测光的吸收，提高了检测灵敏度；4、一体化设置了多波段增强腔输入镜和输出镜，实现了同步对多组分不同波段的气体分子的超灵敏探测，使输出的探测光充分携带多组分气体样品的吸收信息，从而能检测到较弱的吸收谱线；5、采用拍频法将光频与气体相互作用的信息转换到射频域，大幅降低了对光谱信号检测的难度从而提高测量精度。
进一步，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源采用中心波长在1.55μm近红外光梳光源，零频均为f0，重复频率分别为fr1及fr2，重频差为Δf＝fr2-fr1＝1Hz～10KHz。
进一步，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源每台光梳由n个频率齿构成，第n个梳齿对应频率分别为fn＝f0+nfr1及f′n＝f0+nfr2，且在第n个梳齿处的梳齿频率差即拍频信号fb＝n·|f′n-fn|＝nΔf。
进一步，所述增强腔输入镜的反射率大于99.99％。
进一步，所述气体池内存在若干个由一组增强腔输入镜和增强腔输出镜共同构成的腔内高反域，所述高反域是根据入射到某增强腔输入镜上波段选择反射率的增强腔输入镜和增强腔输出镜间构成的区域。
进一步，所述气体池包含一个进气口和一个出气口。
进一步，所述气体池的腔长L满足光学谐振腔条件R为腔镜凹面曲率半径。
附图说明
图1是本发明提供的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统结构示意图。
图2是本发明提供的双光梳拍频原理示意图。
图中，1、第一红外光梳光源；2、第二红外光梳光源；3、第一光栅；4、第二光栅；5、气样池；51、进气口；52、出气口；6、增强腔输入镜；7、增强腔输出镜；8、第三光栅；9、第四光栅；10、半波片；11、合束片；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、差分放大器；15、频谱分析仪。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
请参考图1和图2所示，本发明提供一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，包括第一红外光梳光源1、第二红外光梳光源2、第一光栅3、第二光栅4、气样池5、增强腔输入镜6、增强腔输出镜7、第三光栅8、第四光栅9、半波片10、合束片11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、差分放大器14和频谱分析仪15；其中，所述第一红外光梳光源1和第二红外光梳光源2为两个微小重复频率差的红外光梳光源(光梳)，所述第一红外光梳光源1输出探测光通过第一光栅3依据频率和衍射角不同的性质在空间上形成若干个分束探测光，所述第二光栅4与第一光栅3平行配置组成一对光栅对，所述第二光栅4用于调整若干分束探测光方向使其轴向入射到在相应波段具有高反特性的增强腔输入镜6上，即该光栅对用于将入射其内的红外光梳按照频率分量的不同形成不同反射角度进而发射到相应波段的高反输入镜上，并在位于所述气样池5内的增强腔输入镜6和增强腔输出镜7构成的含多组分气体样品的稳定光学谐振腔内振荡，被多组分不同波段的待测气体部分吸收，从而使探测光携带气体样品吸收谱的指纹信息，此方法增强了在不同波段气体分子对相应波段探测光的吸收，达到多波段吸收光谱增强的效果，提高了宽带红外光梳光谱的测量或检测灵敏度，并通过设置多波段增强腔输入镜和输出镜，实现了同步对多组分不同波段的气体分子的超灵敏探测，具体所述气样池5用于存储痕量多组分气体，以进行超灵敏红外光谱检测，增强腔由镀高反向膜的凹面高反镜组成，各增强腔的输入镜反射率在各不同的红外波段处大于99.99％，增强腔的输出镜主要用于保证谐振腔内稳定功率输出，增强型输出镜起到进一步改善输出光束模式的作用，所述第三光栅8和第四光栅9组成的光栅对用于对增强腔输出镜7输出的若干分束探测光在空间上合束为一路激光，所述第二红外光梳光源2输出本征光通过半波片10调节偏振，再和含有多组分气体指纹信息的探测光一起入射到与两束光路均呈45度的合束片11上，所述本征光和探测光在合束片11进行拍频合束，由于不同气体吸收峰不同，因而产生的拍频信号也不相同，依此实现对多个气体分子吸收峰的同时测量，此后通过合束片11分束后分别入射到第一光电探测器12和第二光电探测器13上进行光电信号转换，具体所述半波片10用于控制本征光偏振状态与探测光偏振状态相同，进一步改善光束质量，便于本征光和探测光作拍频，所述合束片11与两束入射光方向呈45度角放置，将含有多组分气体分子的光谱信息的探测光与本征光做外差成空间重合光束，并反射/透射到两个光电探测器上，光电探测器用于将光信号转换为电信号，光电探测器为具有响应快、响应高线性、动态范围大的探测红外光功率的装置，所述差分放大器14对电信号进行优化并放大后通过频谱分析仪15采集，所述频谱分析仪15利用傅立叶变换得到与待测气体浓度成正比关系的红外光谱强度信号，从而获得射频域吸收谱并识别气体的浓度与种类，即频谱分板仪15对光电探测器采集拍频后的时域干涉图经傅立叶变换即可获得样品的双光梳吸收光谱，此光谱分析将光频与气体相互作用的信息转换到射频域，大幅降低了对光谱信号检测的难度。
与现有技术相比，本发明提供的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统具有以下有益效果：1、利用红外宽谱带双光梳光源对气体进行检测，针对不同气体分子的特征吸收峰，在气体池内放入多组相应波段的增强型高反射率腔镜，达到多波段光梳与气体分子相互作用的增强效果，解决了传统的腔增强光谱技术存在的宽谱测量难题；2、通过采用双光梳光谱技术实现高分辨、高精度的气体谱线测量，提升气体检测的选择性同时结合腔增强技术，增加了气体检测的灵敏度与响应度，并能够同时获取多组分痕量气体分子的特征谱线信息，进而达到全面检测的效果；3、无需机械或光谱扫描，从传统光谱法的秒级测量速度提升到毫秒量级，从而实现快速响应成谱，增强了在不同波段气体分子对相应波段探测光的吸收，提高了检测灵敏度；4、一体化设置了多波段增强腔输入镜和输出镜，实现了同步对多组分不同波段的气体分子的超灵敏探测，使输出的探测光充分携带多组分气体样品的吸收信息，从而能检测到较弱的吸收谱线；5、采用拍频法将光频与气体相互作用的信息转换到射频域，大幅降低了对光谱信号检测的难度从而提高测量精度。
作为具体实施例，请参考图2所示，所述光梳指的是红外光梳光源，光谱范围在1～14μm均可，由于光梳光谱以由N根等间距的频率齿分布，N为任意整数，通常N在105左右，其中每根频率齿相当于一束单纵模激光，光梳的第一根梳齿的频率为f0，相邻频率齿间距为fr，则第n根梳齿的绝缘频率表示为fn＝f0+nfr，其中0<n<N。
作为具体实施例，所述第一红外光梳光源1和第二红外光梳光源2优选采用中心波长在1.55μm近红外光梳光源，所述双光梳吸收光谱原理是由一台光梳发出的探测光，经过气体样品池后被待测气体吸收，获得携带分子“指纹”信息的探测光后与另一束具有微小重频率差的本征光进行拍频，再用光电探测器采集拍频后的时域干涉图样，通过傅里叶变换等数据处理后，从而得到气体分子的超精细光谱图，即双光梳吸收光谱。双光梳拍频信号在第n个梳齿处的表达式为fb＝|(f0+nf2)-(f0+nf1)|＝nΔf，即所述第一红外光梳光源1和第二红外光梳光源2每台光梳由n个频率齿构成，第n个梳齿对应频率分别为fn＝f0+nfr1及f′n＝f0+nfr2，且在第n个梳齿处的梳齿频率差即拍频信号fb＝n·|f′n-fn|＝nΔf。两光梳光源的零频均为f0，重复频率分别为fr1及fr2，且重频差为Δf＝fr2-fr1＝1Hz～10KHz。吸收谱线遵循Beer-Lambert Law，I(v)＝I0(v)exp[-σ(v)Nd]，I表示光强，N为吸光物质分子数浓度，d为吸光路径，σ(v)为介质吸收截面，一定温度下与入射光的波长等有关。
作为具体实施例，所述气体池5内存在若干个由一组增强腔输入镜6和增强腔输出镜7共同构成的腔内高反域，所述高反域是根据入射到某增强腔输入镜6上波段选择反射率(大于99.99％)的增强腔输入镜6和增强腔输出镜7间构成的区域，在此间光束获得更长的有效路径，增强了不同吸收峰波段的多组分气体对探测光的吸收。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述气体池5包含一个进气口51和一个出气口52，所述进气口51将待测气体导入气体池5内。测量过程中，气样池5的进出气口密闭，待气体池5内气体扩散均匀后，通入光束；待测量结束后，通过出气口52对气体池5抽真空，排出原残留样品气体。
作为具体实施例，所述气体池5的腔长L满足光学谐振腔条件R为腔镜(包括增强腔输入镜和增强腔输出镜)凹面曲率半径，由此可以满足光在谐振腔内达到稳定往返振荡状态，使损耗最低。
作为具体实施例，本申请中的腔增强是指激光在充满气体的谐振腔内多次往返，通过增加有效吸收路径增强吸收，进而提高了探测灵敏度。腔内的吸收介质所造成透射光功率P变化表达式为：α(f)为吸收系数，F表示腔增强的精细度，其和腔镜反射率的关系式为：/>i表示相应的增强腔输入镜，j表示相应的增强腔输出镜，ri表示相应增强腔输入镜的反射率，rj表示相应增强腔输入镜的反射率。
为了更好地理解本申请提供的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，以下将结合具体实施方式对该系统进行介绍：
CH4、CO2、CO、C2H4等混合气体是电力设备运行安全监测与预警中常见的重要特征气体，可以用于表征系统故障、运行安全，以及排除故障来源。例如，CH4、C2H4气体对应油过热故障类型，CH4、CO2、CO、C2H4气体对应油和纸过热故障类型等。但是，这几种气体的特征谱线分布在不同的光谱波段，且吸收较弱，对其同时检测存在困难，其中CH4光谱波段在1630～1750nm，CO2光谱波段在1754～1828nm，C2H4光谱波段在1510～1540nm，CO光谱波段在1578～1585nm。现以针对CH4、CO2、CO、C2H4等混合气体进行检测为例。
请参考图1所示，检测系统采用中心波长在1.55μm近红外光梳光源，光谱覆盖在1300～2000nm，其中发出本征光的光梳光源经过一个半波片调节偏振状态，调节光梳泵浦光功率使相位零频f0置零，重复频率分别为fr1＝100MHz，fr2＝100MHz+1Hz。其中第一红外光梳光源(光梳)1发出一束探测光经过第一光栅3和第二光栅4(光栅对)分束后，分波段轴上入射到充有CH4、CO2、CO、C2H4混合气体的增强型气体池5中。若干探测光轴向入射到在相应波段具有高反特性(反射率>99.99％)的增强腔输入镜6上，并在增强腔输入镜6与增强腔输出镜7构成的含多组分气体样品的稳定光学腔内折返，从而增加了有效吸收路径，增强吸收进而提高了探测灵敏度，使探测光充分携带样品吸收信息，输出的若干分束探测光再次经过第三光栅8和第四光栅9(光栅对)在空间上合束为一路激光。第二红外光梳光源2输出本征光通过半波片10调节成与探测光相同的偏振态，再和探测光一起入射到与两束光路均呈45度的合束片11上，本征光与探测光在合束片11进行拍频合束，并通过合束片11分束，分别入射到第一光电探测器12和第二光电探测器13两个光电探测器上，此时光信息被转换为电信息，并通过差分放大器14优化电信号后被频谱分析仪15接收，对光电探测器采集拍频后的时域干涉图经傅里叶变换即可获得多组分气体的双光梳吸收光谱，此拍频方法将光频与气体相互作用的信息转换到射频域，大幅降低了对光谱信号检测的难度。例如，若光梳在第n个梳齿处检测到CH4吸收信号，相应梳齿处会产生一个频率为fb的拍频信号，即fb＝n·|f′n-fn|＝nΔf，Δf为已知量。再将射频域变换到光频域，通过模拟比对相应气体分子吸收峰位置获取气体成分信息，并由朗伯比尔定律计算气体浓度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中，且本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，包括第一红外光梳光源、第二红外光梳光源、第一光栅、第二光栅、气样池、增强腔输入镜、增强腔输出镜、第三光栅、第四光栅、半波片、合束片、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器和频谱分析仪；其中，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源为两个微小重复频率差的红外光梳光源，所述第一红外光梳光源输出探测光通过第一光栅依据频率和衍射角不同的性质在空间上形成若干分束探测光，所述第二光栅与第一光栅平行配置用于调整若干分束探测光方向使其轴向入射到在相应波段具有高反特性的增强腔输入镜上，并在位于所述气样池内的增强腔输入镜和增强腔输出镜构成的含多组分气体样品的稳定光学谐振腔内振荡，被多组分不同波段的待测气体部分吸收，使探测光携带气体样品吸收谱的指纹信息，所述第三光栅和第四光栅组成的光栅对用于对增强腔输出镜输出的若干分束探测光在空间上合束为一路激光，所述第二红外光梳光源输出本征光通过半波片调节偏振，再和含有多组分气体指纹信息的探测光一起入射到与两束光路均呈45度的合束片上，所述本征光和探测光在合束片进行拍频合束，并通过合束片分束后分别入射到第一光电探测器和第二光电探测器上进行光电信号转换，所述差分放大器对电信号进行优化并放大后通过频谱分析仪采集，所述频谱分析仪利用傅立叶变换得到与待测气体浓度成正比关系的红外光谱强度信号，从而获得射频域吸收谱并识别气体的浓度与种类。
2.根据权利要求1所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源采用中心波长在1.55μm近红外光梳光源，零频均为f0，重复频率分别为fr1及fr2，重频差为△f＝fr2-fr1＝1Hz～10KHz。
3.根据权利要求2所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述第一红外光梳光源和第二红外光梳光源每台光梳由n个频率齿构成，第n个梳齿对应频率分别为fn＝f0+nfr1及f′n＝f0+nfr2，且在第n个梳齿处的梳齿频率差即拍频信号fb＝n·|f′n-fn|＝n△f。
4.根据权利要求1所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述增强腔输入镜的反射率大于99.99％。
5.根据权利要求1所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述气样池内存在若干个由一组增强腔输入镜和增强腔输出镜共同构成的腔内高反域，所述高反域是根据入射到某增强腔输入镜上波段选择反射率的增强腔输入镜和增强腔输出镜间构成的区域。
6.根据权利要求1所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述气样池包含一个进气口和一个出气口。
7.根据权利要求1所述的多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，其特征在于，所述气样池的腔长L满足光学谐振腔条件R为腔镜凹面曲率半径。
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