CN114235699B - 一种痕量气体浓度的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体检测技术领域，公开了一种高精度痕量气体浓度的装置。本发明提供的高精度痕量气体浓度的装置由可调谐半导体激光器、分束取样板、高灵敏度激光波长监测模块、激光器控制电路模块、准直器、模式匹配透镜组、高精细度衰荡腔、透镜、探测器、数据收集与分析处理电路模块构成。利用能够对温度精密控制的高反射率布拉格反射镜与高反射率平凹反射镜构成高精细度衰荡腔，结合可调谐半导体激光器，使激光波长和衰荡腔频率均可被调节，有效解决激光波长与衰荡腔模式匹配较难及检测精度较低的问题，同时提高对气体浓度的检测精度。

Description

一种痕量气体浓度的检测装置

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种高精度痕量气体浓度的检测装置。

背景技术

痕量气体是指与背景气体相比，浓度极低的气体，其浓度通常用体积比来表示，常用单位有百万分之一(ppmv)、十亿分之一(ppbv)以及千亿分之一(pptv)。在工业生产、社会安全、资源勘探、医疗诊断、环境监测等领域，对痕量气体的检测有着迫切的需要和较高的要求。痕量气体浓度的检测方法，从最初的化学反应测量技术已经发展到目前精度最高的激光吸收光谱检测技术。在激光吸收光谱检测技术中，所使用的激光器性能也在向着窄线宽、可调谐的方向发展。

目前，传统的气体检测方法主要有电化学法、质谱法、气相色谱法和热催化法等。虽然这些传统方法都在不同程度上实现了对气体的测量，但是它们都是通过人工的方式进行采样，且仪器昂贵、操作复杂，常被用于实验室中对气体的测量，很难满足人们对气体浓度快速的、定性的检测需求。激光光谱技术主要利用气体分子与光的相互作用来达到气体甄别与检测的目的。激光光谱气体检测技术用于痕量气体检测方面，具有测量精度高、检测速度快、可实现实时在线监测等特点，根据检测原理的不同，激光光谱气体检测技术分为直接检测技术和间接检测技术。直接检测技术是利用物质对光的吸收特性而实现。间接检测技术是指根据能级跃迁定理，激光激发待测物质，使其电子吸收能量从基态跃迁到激发态，由于激发态具有不稳定性，这时电子会伴随能量的释放从而回到稳定的基态，该过程包括荧光、内部能量转换、振动松弛等。

腔衰荡光谱技术是以衰荡时间为测量参量的吸收光谱技术，通过对衰荡腔透射光强随时间呈指数衰减而形成的衰荡曲线进行的测量。衰荡时间仅与衰荡腔反射镜的反射率和衰荡腔内介质的吸收有关，而与入射光强的大小无关，具有灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力强的优点。在CRDS技术中，当激光与衰荡腔模式相匹配时，才能实现激光的耦合注入。在现有技术中，为了实现模式匹配，一种是调制激光波长，采用温度扫描或电流调制实现。另一种是调节衰荡腔的腔长，采用压电陶瓷或者精密电动平台等运动部件改变衰荡腔的腔长。对于采用运动部件对腔长的调制，在调节过程中会由于光轴偏移、运动部件重复性等问题影响测试精度，运动部件的复杂结构不利于实现检测仪器的小型化。

发明内容

针对现有技术中激光波长与衰荡腔模式匹配较难实现、气体检测精度较低的问题，本发明提出了一种高精度痕量气体浓度的装置，该装置具有结构简单、稳定性强、易于实现激光与衰荡腔模式相匹配的特点。利用温度可精确控制的布拉格反射镜构成高精细度衰荡腔，有效的提高了气体浓度的检测精度。

本发明所述的目的是通过下述技术方案实现的：

一种高精度痕量气体浓度的装置，所述装置包括可调谐半导体激光器、分束取样板、高灵敏度激光波长监测模块、激光器控制电路模块、准直器、模式匹配透镜组、高精细度衰荡腔、透镜、探测器、数据收集与分析处理电路模块，其中：

所述可调谐半导体激光器与激光器控制电路模块相连接，用于发射线宽＜2MHz的窄线宽激光。

所述分束取样板被用于对激光光束取样，并将取样的激光光束反射至激光波长监测模块。

所述高灵敏度激光波长监测模块与激光器控制电路模块相连接，用于对激光器发射波长进行监测，并将监测结果反馈给激光器控制电路模块。

所述激光器控制电路模块与可调谐半导体激光器、高灵敏度激光波长监测模块分别相连接，用于接收从高灵敏度激光波长监测模块反馈的信号，根据反馈信号来对激光器的驱动电路进行调节，从而控制激光器的激光波长。

所述准直器处于可调谐半导体激光器与模式匹配透镜组之间，用于对可调谐半导体激光器发射的激光光束进行准直。

所述模式匹配透镜组处于准直器与高精细度衰荡腔之间，用于对准直后的激光光束进行处理，并将处理后的激光光束输入至所述高精细度衰荡腔中。

所述高精细度衰荡腔用于激光光束与待测气体进行相互作用，测量衰荡腔透射光强随时间呈指数衰减所形成的衰荡曲线，包括：漏率优于1.3×10^-10Pa m³/s的不锈钢壳体、反射率＞99.99％的反射镜和高反射率布拉格反射镜、待测气体入口及开关、待测气体出口及开关、真空计、抽气泵，所述不锈钢壳体上开有待测气体入口及出口、激光光束入口及出口、真空计接口，用于构成高精细度衰荡腔的外壳，所述反射率＞99.99％的反射镜与高反射率布拉格反射镜构成高精细度衰荡腔，用于待测气体与激光相互作用及激光光束在衰荡腔内发生衰荡过程，所述高反射率布拉格反射镜封装于可以进行高精度温度控制的铜热沉上，用于对高反射率布拉格反射镜折射率及衰荡腔的频率进行调制，所述待测气体入口及开关用于将待测气体引入到高精细度衰荡腔中进行检测，所述待测气体出口及开关与抽气泵相连用于检测前对衰荡腔抽真空进行空腔光束检测及充满待测气体后光束的检测，所述抽气泵用于对高精细度衰荡腔进行抽气处理。

所述透镜用于将从高精细度衰荡腔中透射出的激光光束进行聚焦，并将聚焦后的激光光束照射进探测器中。

所述探测器为高灵敏度光电探测器，带宽≤20MHz，响应时间≤20ns，用于对从高精细度衰荡腔透射出且聚焦后的激光光束进行检测。

所述数据收集与分析处理电路模块用于对探测器获得的光电信号进行处理从而得到待测气体与激光光束作用后从高精细度衰荡腔中透射出的激光光强随时间的衰减情况，从而得到待测气体的浓度。

优选的，所述可调谐半导体激光器为窄线宽可调谐半导体激光器，所述高精细度衰荡腔高反射率反射镜为平凹反射镜，所述高反射率布拉格反射镜为GaAs/AlAs或AlGaSb/AlSb或AlAsSb/GaSb或AlGaAs/GaAs，高反射率布拉格反射镜被封装于铜热沉上，所述铜热沉负载有可以精确控制温度的模块，可以实现对高反射布拉格反射镜折射率及高精细度衰荡腔的频率进行调制。

所述键合在铜热沉上的布拉格反射镜及可以精确控制温度的铜热沉，结合所述可调谐半导体激光器，使本发明提出的痕量气体浓度检测装置容易实现激光波长与衰荡腔模式匹配，且具有高的检测精度。

本发明提供的上述技术方案，能够对激光器波长或高反射率布拉格反射镜折射率或激光器波长与高反射率布拉格反射镜的折射率结合进行调制，实现激光波长、布拉格反射镜反射率、衰荡腔频率的多重调制，使得激光波长与衰荡腔更容易实现模式匹配，同时具有较高的检测精度。

本发明提供的上述技术方案，能够对环境气体及人体呼吸气体中的成分和气体浓度进行检测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述高精度痕量气体浓度的装置，结构简单、稳定性强，通过在高精细度衰荡腔中引入可以精确控制温度的高反射率布拉格反射镜，同时结合窄线宽可调谐半导体激光器的技术方案，使得激光波长与衰荡腔容易实现模式匹配，所构成的高精细度衰荡腔有效提高了装置对气体检测的精度。

附图说明

为了更清楚地表述本发明所提出的高精度痕量气体浓度的装置这种技术方案，附图1对本发明的技术方案进行直观的显示。显而易见地，附图作为本发明技术方案的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高精度痕量气体浓度的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图，以痕量甲烷气体浓度的装置为实施例作进一步地详细描述。图1为本发明痕量甲烷气体浓度装置的结构示意图，所述装置主要包括：可调谐半导体激光器1、分束取样板2、高灵敏度激光波长监测模3、激光器控制电路模块4、准直器5、模式匹配透镜组6、低漏率不锈钢壳体7、高精细度衰荡腔8、透镜9、探测器10、数据收集与分析处理电路模块11，其中：

所述可调谐半导体激光器为线宽＜2MHz，激光波长1653.7nm，输出功率15mW的窄线宽半导体激光器，激光器的温度调谐率0.1nm/℃，电流调谐率0.01nm/mA。

所述分束取样板采集激光器所输出激光功率5％的激光光束，并将采集的光束反射至高灵敏度激光波长监测模块。

所述高灵敏度激光波长监测模块通过分束取样板采集的激光光束，获得激光器的输出波长信息，并将激光器的波长信息反馈给激光器驱动电路对激光波长进行调节。

所述激光器控制电路模块在接收到波长监测模块的反馈信息后，根据实验中设置的参数对激光器的温度、驱动电流进行调谐，从而调节激光器的输出波长。

所述准直器处于分束取样板与模式匹配透镜组之间，用于将激光光束准直。

所述模式匹配透镜组处于准直器与衰荡腔之间，用于对准直后的1653.7nm激光光束进一步处理，激光光束在被处理后照射进高精细度衰荡腔中。

所述低漏率不锈钢壳体作为高精细度衰荡腔的外壳，壳体上有甲烷气体的入口和出口、激光光束的入口和出口、真空计的接口，用于对空腔激光光束检测和充满待测气体的激光光束进行检测，甲烷气体出口与抽气泵相连，真空计用于监测壳体内的压强。

所述高精细度衰荡腔是由2个平凹高反射镜和1个AlGaSb/GaSb布拉格反射镜组成，所述高布拉格反射镜由31对AlGaSb/GaSb构成，在1653.7nm附近有超过99.9％的反射率和较宽的反射带宽，所述布拉格反射镜封装在可以精确进行温度控制的铜热沉上，通过改变铜热沉的温度对布拉格反射镜的折射率进行调节，进而对高精细度衰荡腔的频率进行调节使得激光波长与高精细度衰荡腔实现模式匹配。

所述透镜为凸透镜，用于对从高精细度衰荡腔中透射出的激光光束进行聚焦；

所述探测器为增益可调的InGaAs探测器，在低增益下对从高精细度衰荡腔中出射的激光光束随时间的衰荡进行测量，在高增益下进行装调过程优化。

所述数据收集与分析处理电路模块对从探测器传输过来的电信号进行处理，获得窄线宽激光光束与甲烷气体作用后从高精细度衰荡腔透射出的激光光强随时间的衰减情况，利用获得的衰荡曲线结果获得所测试甲烷气体的浓度。

以上所述仅是本发明的优选具体实施方式，应当指出本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度痕量气体浓度的装置，包括：可调谐半导体激光器、分束取样板、高灵敏度激光波长监测模块、激光器控制电路模块、准直器、模式匹配透镜组、低漏率不锈钢壳体、高精细度衰荡腔、透镜、探测器、数据收集与分析处理电路模块，其特征在于，所述高精细度衰荡腔由2个平凹高反射镜和1个布拉格反射镜构成环形衰荡腔，所述布拉格反射镜为20对～40对的GaAs/AlAs或AlGaSb/AlSb或AlAsSb/GaSb或AlGaAs/GaAs结构，布拉格反射镜被键合在可以精确控制温度的铜热沉上，通过控制铜热沉的温度对布拉格反射镜的折射率进行调节，进而实现对衰荡腔的频率的调节；

所述可调谐半导体激光器与所述高精细度衰荡腔相互配合，能够对激光器波长或高反射率布拉格反射镜折射率或激光器波长与高反射率布拉格反射镜的折射率结合进行调制，实现激光波长、布拉格反射镜反射率、衰荡腔频率的多重调制；

所述高精细度衰荡腔包括待测气体入口及开关、待测气体出口及开关、真空计、抽气泵；

所述不锈钢壳体上开有待测气体入口及出口、激光光束入口及出口、真空计接口，用于构成高精细度衰荡腔的外壳；所述待测气体出口与抽气泵相连，所述真空计接口与真空计相连；

所述待测气体入口及开关用于将待测气体引入到高精细度衰荡腔中进行检测，所述待测气体出口及开关与抽气泵相连用于检测前对衰荡腔抽真空进行空腔光束检测及充满待测气体后光束的检测，所述抽气泵用于对高精细度衰荡腔进行抽气处理；

所述可调谐半导体激光器为线宽＜2MHz的窄线宽中红外半导体激光器，可以通过调节激光器的驱动电流或激光器的工作温度来对激光波长进行调节；

所述分束取样板采集5％激光功率的光束用于对激光波长的监测；

所述高灵敏度激光波长监测模块对激光器输出波长进行实时在线监测；

所述激光器控制电路模块根据激光波长监测结果，调节激光器工作温度、驱动电流参数，对激光波长进行调节；

所述准直器用于将激光光束准直；

所述模式匹配透镜组对准直后的激光光束进一步处理；

所述低漏率不锈钢壳体构成高精细度衰荡腔的外壳；

所述透镜用于对从衰荡腔透射的激光进行聚焦，并照射进探测器中；

所述探测器为增益可调的探测器，用于获得透射光强随时间变化的情况；

所述数据收集与分析处理电路模块对探测器传输的信号进行处理，获得待测气体的浓度信息。

2.根据权利要求1所述的一种高精度痕量气体浓度的装置，其特征在于，所述不锈钢壳体漏率优于1.3×10^-10Pa m³/s。

3.根据权利要求1所述的一种高精度痕量气体浓度的装置，其特征在于，所述高精细度衰荡腔是由2个反射率＞99.99％的平凹高反射镜和1个反射率＞99.9％具有较宽反射带宽的布拉格反射镜所构成，所述3个反射镜构成了环形的高精细度衰荡腔。

4.根据权利要求3所述的一种高精度痕量气体浓度的装置，其特征在于，所述布拉格反射镜被键合在铜热沉上，可以通过控制铜热沉的温度实现对布拉格反射镜温度实现精度为0.1℃的温度的调节，所述温度精确控制的高反射率布拉格反射镜可改变高精细度衰荡腔的参数进而提高检测装置对气体浓度的检测精度。