CN114018829A - 一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，它包括两台光梳激光源、偏振控制器、合束器、半波片、光声气体池、聚焦透镜、音叉接收器组、多通道ADC单元、频谱仪。本发明公开了一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测方法，本发明采用时频稳定的相干光梳源作为宽谱带激励源，激发多种类气体分子产生不同的光声信号；光声信号的频率由两台光梳梳齿之间的拍频频率所决定；利用音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，最终达到提高双光梳光谱检测灵敏度的目标，解决了非接触式气体检测技术在高灵敏度的多组分气体光谱测试方面的问题。

Description

一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地指一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统及方法。

背景技术

随着社会的不断发展和进步，各个领域所接触和使用的气体种类、数量都不断增多，对相关气体进行成分和含量的检测的需求也变得越来越多。在工业生产中会使用一些危险气体，例如易爆气体或是有毒气体，因此需要对危险气体进行实时监测以避免事故发生。在日常生活中也需要对有害气体进行检测以便采取相关措施，如对新装修房屋中的甲醛、空气中的一氧化碳、氮的氧化物等有害气体进行检测。生物医学等领域，对相关气体进行检测也有迫切的需要，例如对植物释放的乙烯进行监测以判断植物的生长状况，以及对病人的呼出气体进行成分及含量的检测以判断某些疾病。由此可见，气体检测已经变得愈发重要。

国内外市场上主要存在的气体传感器技术包括：半导体式、电化学式、光学式等气体传感器。

(1)半导体式传感器

半导体传感器的原理是采用金属氧化物半导体材料，与被测气体发生相互作用产生表面的吸附或反应，而引起电导率或表面电位的变化。其具有体积小、灵敏度高、响应速度快、便于集成化、成本低等优点，其缺点有：分散性、温度的不稳定性，容易受到干扰等。

(2)电化学式传感器

电化学传感器是通过检测电流来检测气体的浓度。其主要应用在检测有毒气体的浓度、血液中的含氧量等领域。其具有良好的选择性和高灵敏度，但是使用寿命太短。

(3)光学气体传感器

光学式气体传感器主要有红外吸收式、光纤化学材料型、激光式等。红外吸收式传感器应用的是红外检测技术即利用气体对红外光的选择吸收的特性进行浓度检测，它具有高测量精度、高时间分辨率、结构简单、成本低和操作简单等优点。激光式气体传感器采用谱线很窄的激光作为检测光源，比较适合气体成分检测，国内外在脉冲爆震发动机的燃烧尾气测试中已经有一些这方面的报道；但目前一般需要采用可调半导体激光器技术，这种技术不仅费用十分昂贵而且操作十分复杂。

就光学气体检测手段而言，国内外的主要实现手段包括有气相色谱法、傅里叶变换红外光谱法、吸收光谱法等。

1)气相色谱法

气相色谱法是国内外常用的测量气体浓度的方法，其原理是利用不同物质在两相中具有的不同吸附系数，当两相作相对运动时，物质进行多次反复分配，从而实现分离。再经过检测器和记录器，分成一个个的色谱峰。气相色谱法的优点：检测气体多、检测灵敏度高；缺点：取样和分析的过程中可能产生水解，对SO₂检测比较难，检测时间长，不能在线实时检测。

2)傅里叶变换红外光谱法

傅里叶变换红外光谱法是基于光的干涉原理，其内部结构由红外光、干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、样品室、检测器、记录仪等组成。它的优点：测量光谱范围宽，可以涵盖关键的中远红外波段，且可实现在线检测；缺点：光谱分辨率有限，例如SF₆和其分解气体的吸收峰接近，难以被区分，因而会发生交叉干扰，影响测量结果，此外，由于采用了机械扫描的测量方法，其检查耗时、灵敏度较低。

3)波长调谐吸收光谱法

波长调谐吸收光谱法是一种通过调谐单频激光器波长实现高分辨光谱测量的方法。它利用气体对光的选择吸收的特性进行浓度检测，是一种具有良好应用前景的气体分析测试方法。光谱吸收法主要有以下优点：分辨率高、选择性好，非接触式，不易受有害气体的影响、稳定性好、信噪比高、测量精度高。它的缺点是受限于波长的调谐速度，其响应速度慢，难以用于实时检测。

4)光声光谱技术(PAS)

光声光谱检测系统通常由光源、光调制器、光声池、微音器、解调器，以及音频放大器等器件组成。系统利用光调制器对光源辐射进行周期性强度调制。调制光进入光声池，待测分子吸收光能后由基态跃迁到激发态，气体温度升高，向外辐射调制频率的声波。此声波可以由微音器拾取。该方法可以实现气体的红外吸收光谱及浓度检测，光谱范围可以通过滤波片进行选择。因为红外光源的相干性与稳定性低，该方法也存在以下缺点：检测精度低、分辨率低、可重复性差，以及难以实现对多组分气体吸收峰同时测量。

总之，目前传统光谱技术普遍存在着光谱精度与准确度低、光谱检测范围窄、检测分子种类单一、探测灵敏度有限和定量分析困难等问题。

红外双光梳光谱气体检测技术利用两台重复频率不同的红外光梳，通过光外差拍频的方式可以实现高速的超宽带光谱测量。它的特点是采用了光学频率梳(简称“光梳”)作为光源。这是一种相干性好，时频特性稳定的宽谱带激光光源。相对于传统的光谱技术，红外双光梳光谱技术的优势是：(1)可以同时获取多种分子的多个特征谱线信息，从而可以做到对目标气体的全面监测。(2)无需机械扫描、或是光谱扫描，可直接成谱；成谱时间为毫秒量级，比传统光谱法的测量速度提高了近3个量级。(3)具有极高的光谱分辨率与测量精度；对分子浓度和种类的分析可以做到准确、可靠。但是，由于光梳光谱宽，能量分散，从而导致该方法检测灵敏度低，尚不能与上述几种传统气体检测技术相比。

所以，现有的非接触式气体检测技术在高灵敏度的多组分气体光谱测量方面或多或少地存在着的问题。为此，本项目提出一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统及方法，采用时频稳定的相干光梳源作为宽谱带激励源，激发多种类气体分子产生不同的光声信号；光声信号的频率由两台光梳梳齿之间的拍频频率所决定；利用音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，最终达到提高光双梳光谱检测的灵敏度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统及方法，采用时频稳定的相干光梳源作为宽谱带激励源，激发多种类气体分子产生不同的光声信号；光声信号的频率由两台光梳梳齿之间的拍频频率所决定；利用音叉组中不同特征频率的音叉对不同频率的光声信号进行共振增强，最终达到提高光双梳光谱检测的灵敏度。

为实现此目的，本发明所设计的一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统(图1)，具体包括：

1)光梳光源：两台光梳光源，载波包络相位零频与重复频率分别为：f₀₁和f_r1，以及f₀₂和f_r2。每台光梳由n个频率齿构成。其中第n个梳齿的频率为f₀+nf_r(图2)。两台光梳第n个梳齿的频率差f_b＝|(f₀₂+nf_r2)-(f₀₁+nf_r1)|，即两台光梳第n个梳齿的拍频信号。通过调谐激光器参数即f₀和f_r，可以使拍频信号f_b在音频频域(20Hz-20kHz)。

2)合束器：将两个光梳的输出光耦合成空间重合的光束。

3)光声气体池：一种应用于气体光声光谱检测的光声池。

一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测方法，它包括如下步骤：

步骤1：两台宽带光梳激光器输出光通过合束器空间重合，形成双光梳激光光束；这里的光梳光谱需涵盖多个分子吸收峰；

步骤2：双光梳激光射入气样池，并从音叉的中间透过；气体池内含有待测气体分子；当两台光梳的第n个梳齿频率在气体分子吸收峰频谱范围内时，分子将吸收该频率的光梳光子，并进入振动能级的高激发态，振动频率等于激发光频率，即分别为(f₀₂+nf_r2)和(f₀₁+nf_r1)；两个不同频率振动态之间产生一个拍频信号，即f_b＝|(f₀₂+nf_r2)-(f₀₁+nf_r1)|；在光声效应作用下(图3)，分子的振动被转化为音频信号，信号频率为f_b；

其中，光声效应是指光引起物质振动而产生的效应。光线照射到物质表面产生热量，热量导致光照区域发生膨胀，进而通过固体物质传递压力波，最终产生光声效应。

步骤3：音频接收器组接收频率为f_b的音频信号并转为电信号，由多通道ADC单元接收并传至频谱仪；

步骤4：频谱仪接收该电信号呈现出气体的吸收谱；因为不同气体的吸收频率不同，所以产生的拍频信号也不相同，因此可以通过测量拍频信号频率的方式进行区分，从而实现多组分气体吸收峰的同时测量；同时，由于音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，提高了检测的灵敏度。

其中，石英音叉是一种利用石英晶体的压电效应制成的振荡器件。音叉的共振频率是指音叉系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形；此特定频率称之为共振频率。

石英音叉增强光声光谱原理为：激光器出射波长对应气体吸收谱线，激光经过会聚透镜聚焦于并穿过石英音叉叉臂之间的间隙。假设石英音叉的共振频率为f_TF,当光声池内的气体吸收激发光能时，产生光声效应，在石英音叉叉臂之间产生频率为f_TF的声波，由于石英音叉具有压电效应，音叉叉臂之间的声波会引起两个叉臂相对振动，进而产生压电电流。待测气体的浓度越大，光声效应产生的声波振幅就越大，进而音叉的压电电流越大。通过这种关系即可对待测气体进行定量分析。音叉后端接前置放大电路将压电电流转换为电压信号并进行放大，之后进入锁相放大器对电压信号进行二次谐波解调得到石英音叉增强光声光谱信号。

光声效应形成的声波可以等效为球面波，向各个方向等速传播，作用在音叉叉指上的声波十分微弱。因此，通常在石英音叉的周围添加光声谐振腔以实现信号增强。这里的光声谐振腔为共振管，在共振管的作用下可以让声波形成驻波，使微弱的光声信号得到加强。共振管增加了产生的声音与石英音叉之间有效相互作用长度，使石英音叉对近场光声波具有更高的灵敏度。

光声光谱中光声信号强度表达式为：

其中，α是待测气体每单位浓度的吸收因子，C是目标物质的浓度，P是光功率，f_TF是石英音叉的共振频率，A是共振管横截面积，k是描述石英音叉的换能效率和其他系统参数的常数。

本发明的有益效果：

本发明利用宽谱带双光梳光源对光声光谱进行测量，解决了光声光谱测量的多吸收峰同时测量难题，解决了传统技术交叉敏感的问题和选择性差的问题；通过采用共振音叉与光声光谱、光梳光谱结合的方法，增加光谱的谱宽以及检测灵敏度。本发明相较于传统气体光谱分析法而言，具有灵敏度高，分辨率高，多个吸收峰同时检测等优势，可以应用于多种气体及其混合气体的吸收光谱检测以及对危险气体进行实时监测。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明中双光梳拍频的原理图；

图3为本发明中光声光谱技术的原理图；

图4为本发明的实施例图。

其中，1，2—光梳激光源、3—偏振控制器、4—合束器、5—半波片、6—光声气体池、7—聚焦透镜、8—聚焦透镜、9—共振音叉接收器组(含音叉与共振管)、10—多通道ADC单元、11—频谱仪

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图4所示的音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，它包括光梳激光源1和2、偏振控制器3、合束器4、半波片5、光声气体池6、聚焦透镜7和8、音叉接收器组9、多通道ADC单元10、频谱仪11。所述光梳2的输出光经过一个偏振控制器，与光梳1通过合束器4进行合束，偏振控制器3的作用是，调节偏振态，使两路光梳偏振相同。空间重合与偏振态控制是实现两者光学拍频的必要条件。合束后，激光通过半波片5，优化激光偏振态，接着通过透镜组7和8进行缩束。双光梳光束与待测气体分子相互作用，通过光声信号产生声波信号并由音叉接收器组9接收。音叉接收器组9输出电信号，通过多通道ADC单元10接收并传输至频谱仪11，由频谱仪11呈现气体的吸收谱。

上述技术方案中，待测气体通过进气口，导入光声气体池6中。测量中，增强型气体池进出气口密闭，待测试结束后，通过出气口，对光声气体池抽真空，排出原残留样品气体。

上述技术方案中，音叉接收器组用于将声波信号输出为电信号，待测分子吸收双光梳后产生声波信号，信号频率为被吸收的双光梳梳齿间的拍频信号f_b。不同气体分子吸收峰不同，可以通过吸收峰对气体种类进行鉴别。

上述技术方案中，所述电信号由多通道ADC单元接收，并传输至频谱仪，得到待测气体的光声光谱强度信号。

一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：两台宽带光梳激光器1和2，载波包络相位零频与重复频率分别为：f₀₁和f_r1，以及f₀₂和f_r2。每台光梳由n个频率齿构成。其中第n个梳齿的频率为f₀+nf_r(图2)。两台光梳第n个梳齿的频率差f_b＝|(f₀₂+nf_r2)-(f₀₁+nf_r1)|，即两台光梳第n个梳齿的拍频信号。输出光通过合束器4空间重合，形成双光梳激光光束；

步骤2：双光梳激光射入气样池6，并从音叉的中间透过；气体池内含有待测气体分子；当两台光梳的第n个梳齿频率在气体分子吸收峰频谱范围内时，分子将吸收该频率的光梳光子，并进入振动能级的高激发态，振动频率等于激发光频率，即分别为(f₀₂+nf_r2)和(f₀₁+nf_r1)；两个不同频率振动态之间产生一个拍频信号，即f_b＝|(f₀₂+nf_r2)-(f₀₁+nf_r1)|；在光声效应作用下(图3)，分子的振动被转化为音频信号，信号频率为f_b；

步骤3：音频接收器组9接收频率为f_b的音频信号并转为电信号，由多通道ADC单元10接收并传至频谱仪11；

步骤4：频谱仪11接收该电信号呈现出气体的吸收谱；因为不同气体的吸收频率不同，所以产生的拍频信号也不相同，因此可以通过测量拍频信号频率的方式进行区分，从而实现多组分气体吸收峰的同时测量；同时，由于音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，提高了检测的灵敏度。

上述技术方案中，如图2所示，所述的光梳是指一个宽带相干激光光源，光谱范围在1～12μm之间皆可，其光谱呈现梳齿状分布，即光谱由N根等间距分布的频率齿或梳齿组成，N为任意整数，通常N在10³～10⁶之间，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，彼此相邻梳齿的频率间距为f_r，则第n根梳齿的绝对频率表示为：f_n＝f₀+nf_r，其中0<n<N。

上述技术方案中，所述的双光梳是指载波包络相位零频(即第一根梳齿的频率)与重复频率分别为：f₀₁和f_r1以及f₀₂和f_r2的光梳。

上述技术方案中，当两台光梳的第n个梳齿频率在气体分子吸收峰频谱范围内时，分子将吸收该频率的光梳光子，并进入振动能级的高激发态，振动频率等于激发光频率，即分别为(f₀₂+nf_r2)和(f₀₁+nf_r1)；两个不同频率振动态之间产生一个拍频信号，即f_b＝|(f₀₂+nf_r2)-(f₀₁+nf_r1)|。受激分子引发介质折射率的周期变化，周期频率为f_b。这种折射率的变化将形成频率为f_b的声波，通过气体与空心光纤，传递给音叉接收器组9。由于光梳源具有宽带光谱特性，因此可以一次同时激发多个分子吸收峰，产生不同频率的声波信号。声波频率与吸收峰或吸收谱线呈一一对应关系，因此，可以通过音叉接收器组9同时检测这些音频信号，可以达到测量多个吸收峰的目的。

实施例1：以针对乙炔(C₂H₂)气体分子在1.531μm附近的吸收峰群进行测量为例。

如图4所示，采用两台中心波长在1.531μm附近的光梳光源。其中一台经过一个偏振控制器，调节偏振状态。两台光梳经过50:50的合束器4后空间重合。两台光梳的重复频率(即梳齿间距)f_r1＝1GHz，f_r2＝1GHz+10Hz，载波包络相位零频f₀，均设置为0(通常采用调节光梳泵浦光功率的方式实现)。

双光梳光束经过半波片5后，进入充有C₂H₂气体的增强型气样池6中。光束进过数值孔径为NA＝0.19的透镜7和NA＝0.38的透镜8，光梳引发的光声信号被池中的音叉接收器组9接收并转化为电信号，并通过多通道ADC单元传输到频谱仪。得到声波的频率特征，进而获取C₂H₂相应的光谱信息。例如，若两个光梳的第n个梳齿被C₂H₂分子吸收，则会产生一个频率为f_b的信号。第n个梳齿之间的拍频信号f_b＝n·|f_r2-f_r1|。f_r2-f_r1＝10Hz为已知量，f_b为微音器9的测量值。由此，可以计算出n的取值。因此，吸收谱线对应的频率为nf_r2及nf_r1，强度则于声波音频信号的幅度呈正比关系。

再例如，实施例中，第一个音叉的共振频率f_TF-1可选在常见的10-40kHz之间，如12455Hz。音叉的共振带宽为4Hz左右，因此音叉组中音叉的共振频率间隔应大于4Hz。这里以10Hz为例。即第n根音叉的共振频率为f_TF-n＝f_TF-1+n。值得说明的是，音叉的共振频率间隔必须等于|f_r2-f_r1|，即双光梳拍频信号的频率间隔。这样，音叉共振频率与双光梳拍频信号频率才能一一对应。音叉的Q值＞12000。由于音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，可以达到提升检测灵敏度的目的。若音叉组中包含100个音叉，此时，可测量的梳齿个数n＝100，对应的光谱频率宽度为：n×f_r1，即当光梳重复频率为1GHz时，一次性可测量的光谱宽度为100GHz。一般气体分子，如甲烷在近红外波段吸收峰在一个大气压下的线宽为GHz量级，谱线间距为10GHz量级，因此该方案可以同时测量多根吸收峰谱线，解决了传统光声光谱技术需要通过调频方式测量谱线的问题；同时，通过音叉共振效应，解决了双光梳光谱技术测量灵敏度低的问题。

综上所述，本发明提出一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统及方法，采用时频稳定的相干光梳源作为宽谱带激励源，激发多种类气体分子产生不同的光声信号；光声信号的频率由两台光梳梳齿之间的拍频频率所决定；利用音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，最终达到提高双光梳光谱检测灵敏度的目的，解决了非接触式气体检测技术在高灵敏度的多组分气体光谱测试方面的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，其特征在于：它包括光梳激光源(1)和(2)、偏振控制器(3)、合束器(4)、半波片(5)、光声气体池(6)、聚焦透镜(7)和(8)、共振音叉接收器组(9)、多通道ADC单元(10)、频谱仪(11)，所述光梳(2)的输出光经过一个偏振控制器，与光梳(1)通过合束器(4)进行合束，偏振控制器的作用是，调节偏振态，使两路光梳偏振相同，空间重合与偏振态控制是实现两者光学拍频的必要条件，合束后，激光通过半波片(5)，优化激光偏振态，接着通过透镜组(7)和(8)进行缩束，双光梳光束与待测气体分子相互作用，通过光声信号产生声波信号并由音叉接收器组(9)接收，音叉接收器组(9)输出电信号，通过多通道ADC单元(10)接收并传输至频谱仪(11)，由频谱仪(11)呈现出气体的吸收谱。

2.根据权利要求1所述的一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，其特征在于：两台光梳光源，载波包络相位零频与重复频率分别为：f₀₁和f_r1，以及f₀₂和f_r2，每台光梳有n个频率齿构成，其中第n个梳齿的频率为f₀+nf_r，两台光梳第n个梳齿的频率差fb＝|(f₀₂+nfr₂)-(f₀₁+nf_r1)|，即两台光梳第n个梳齿的拍频信号，通过调谐激光器参数即f₀和f_r，可以使拍频信号f_b在音频频域。

3.根据权利要求1所述的一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，其特征在于：所述的音叉接收器组，由于音叉接收器组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，提高了检测的灵敏度。

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