CN115541521A - 一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光检测领域，提出一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法，以解决多种气体测量的技术问题，包括如下步骤：采用1.9μm的单掺铥固体激光器泵浦Ho晶体，获得2μm波段的近红外激光输出；控制2μm波段激光的出光角度，使其在第一出射角度下射入第一检测池，对所述第一检测池中的甲烷气体浓度进行检测；控制2μm波段激光的出光角度，生成3‑5μm中红外激光，使3‑5μm中红外激光射入第二检测池，对所述第二检测池中的氨气和一氧化碳浓度进行检测；控制2μm激光的出光角度，生成6‑12μm远红外激光，使6‑12μm远红外激光射入第三检测池，对所述第三检测池中的二氧化碳、乙炔、乙烯和乙烷气体浓度进行检测。

Description

一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及激光检测领域，特别是一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法。
背景技术
工业和商业通常需要对一定空间内的有害气体进行精确测量，以确保这一空间范围内的安全性。目前，需要防止的有害气体包括甲烷、氨气、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、乙烯、乙烷等。有害气体是否满足特定纯度界限和/或这些气体的排放是否符合环境规定。诸如过程控制、排放和环境监控、安全性以及空气调节之类的典型应用需要精确的浓度测量。
波长调制光谱是一种增强气体测量的灵敏度的方式，在测量较小浓度时尤其重要。通常采用测量入射光和出射光的光谱强度，计算出被测气体的浓度。但现有的测量方法精度不高，对于一些要求不高的情况尚可接受，但是对于一些对精度要求较高的环境，现有的测量方法往往不能精确测量出该空间的有害气体浓度，另外，现有的气体浓度检测方法只能采用单一检测的方法，不能同时检测多种有害气体的浓度，因此，开发一种能够同时测量多种有害气体的方法十分有必要。
发明内容
本发明为了解决现有气体浓度不能同时测量的技术问题。提出了一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法，包括如下步骤：
本发明提供一种测量多种气体浓度的方法，包括如下步骤：
步骤S1：采用1.9μm的窄线宽单掺铥固体激光器泵浦Ho晶体，获得2μm
的窄线宽近红外激光输出；
步骤S2：通过电控转镜调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光；
步骤S3：控制2μm激光的出光角度，使其在第一出射角度下射入气体检测池，对所述气体检测池中的甲烷气体浓度进行检测；
步骤S4：控制2μm激光的出光角度，使其在第二出射角度下射入第一四镜环形谐振腔，与所述第一四镜环形谐振腔内的第一非线性晶体耦合，生成3-5μm中红外激光，使3-5μm中红外激光射入气体检测池，对所述气体检测池中的氨气浓度和/或一氧化碳浓度进行检测；
步骤S5：控制2μm激光的出光角度，使其在第三出射角度下射入第二四镜环形谐振腔，与所述第二四镜环形谐振腔内的第二非线性晶体耦合，生成6-12μm远红外激光，使6-12μm远红外激光射入气体检测池，对所述气体检测池中的二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度进行检测。
进一步的，所述第一四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第一输入镜、第一反射镜、第二反射镜和第一输出镜，其中，第一输入镜镀2μm高透和3-5μm高反膜，第一反射镜和第二反射镜镀3-5μm高反膜，第一输出镜镀3-5μm部分透射膜。
进一步的，所述第二四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第二输入镜、第三反射镜、第四反射镜和第二输出镜，其中，第二输入镜镀2μm高透和6-12μm高反膜，第三反射镜和第四反射镜镀6-12μm高反膜，第二输出镜镀6-12μm部分透射膜。
进一步的，还包括：
从所述气体检测池射出的检测光射入光谱仪，获得各检测光的光谱；
对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷气体浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度。
进一步的，所述电控转镜包括电控平台以及设置于所述电控平台上的三棱镜，通过所述电控平台微调所述三棱镜的角度，使得入射到所述三棱镜同一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三棱镜的另一个出光面上分别沿不同方向发射2μm激光。
进一步的，所述电控转镜包括电控平台以及设置于所述电控平台上的三面体转镜，通过所述电控平台调控所述三面体转镜的角度，使得入射到所述三面体转镜的每一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三面体转镜分别沿不同方向发射2μm激光。
进一步的，所述三面体转镜包括转轴以及围绕所述转轴设置的三块转镜，所述转镜的镜面朝向与所述转轴相反的一侧，其中两块转镜的镜面与所述转轴所形成的夹角的朝向不同。
进一步的，其中一块转镜的镜面与所述转轴平行。
进一步的，通过所述电控平台调控所述三面体转镜的旋转速度，使得入射到所述三面体转镜的每一面上的入射光角度发生连续变化，从而控制从所述三面体转镜分别沿不同方向顺序发射2μm激光。
进一步的，对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷气体浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度，包括：
通过所述光谱仪获得三个波长下的吸收光谱，基于所述吸收光谱获得对应波长的吸收参数；
基于所述吸收参数计算多种气体中的各种气体的浓度，各气体浓度满足如下公式：
Figure 488181DEST_PATH_IMAGE001
，M为气体的浓度，c为光速，h为普朗克常量，
Figure 642082DEST_PATH_IMAGE002
为气体吸收峰的频率，
Figure 229314DEST_PATH_IMAGE003
为对应气体的吸收峰波长，B为气体吸收跃迁常数，L为气体样品池的长度，S为气体吸收峰所围的面积。
本发明的有益效果：本发明通过电控转镜调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光，进而产生近红外、中红外和远红外三种波段检测激光，并将其输入气体检测池中，通过调节可以通过一套光源系统即可实现近红外、中红外和远红外三种波段同时满足多种气体的浓度检测，通过上述各种检测气体满足的计算公式，可以计算出多种气体中的各种气体的浓度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例所述的气体检测装置的结构示意图。
图2是本发明另一实施例所述的气体检测装置的电控转镜结构示意图。
图3是本发明实施例所述的测量多种气体浓度的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
2-12μm波段中红外激光在环境气体监测、基础物理、激光医疗、遥感探测、激光雷达及军事对抗等领域具有广泛的应用前景。获得2μm激光输出的技术手段中，可以通过掺Tm3+/Ho3+离子的晶体直接产生，获得3-5μm激光输出最有效的手段是以光学参量振荡(OPO)方式对2μm波段激光进行频率下转换，获得6-12μm 激光输出的主要技术途径有差频(DF)，光学参量产生(OPG)，光学参量振荡(OPO) 和光参量放大器（OPA）。相对于DF和OPG技术，OPO和OPA技术装置简单，能够获得高重复频率、高平均功率输出，可以根据实际需要选择合适的非线性晶体。在黄铜矿类非线性晶体中，ZnGeP2(ZGP)晶体是产生中远红外激光输出(包括3-5μm和6-12μm )最有效的非线性晶体之一。ZnGeP2晶体的非线性系数较大(75pm/V)和热导率较高(0.18W/m•K)，ZnGeP2-OPO和OPA是实现8-12μm非线性光学频率转换的有效方法。
然而，在气体检测领域，单一波段的检测激光往往不能满足同时检测多种气体的需求，目前没有一种晶体或者光纤的输出激光能够覆盖从近红外到中远红外激光波段，而能够覆盖较多波段的量子阱半导体激光器输出激光功率较小，输出光的光束质量不够好，光纤激光器的输出波长的覆盖的范围受限于掺杂的稀土离子，而利用非线性效应产生的激光输出功率也较低，不以利实际应用。
本发明通过电控转镜调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光，进而产生近红外、中红外和远红外三种波段检测激光，并将其输入气体检测池中，通过调节不同档位可以通过一套光源同时满足多种气体的浓度检测，简化了气体检测方法。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
光源部分，如图1所示，采用1.9μm的窄线宽（例如2nm以下）单掺铥(Tm3+)固体激光器泵浦Ho晶体获得2μm窄线宽（例如2nm以下）高能量的调Q激光输出，利用2μm激光泵浦不同角度的非线性晶体（ZnGeP2），获得3-5μm和6-12μm中、远红外检测激光输出。具体包括三种检测激光：（1）采用Tm:YLF激光器泵浦的2μm声光调Q单掺Ho激光器；（2）2μm Ho激光器泵浦的3-5μm四镜环形腔光学参量振荡器；（3）2μm Ho激光器泵浦的6-12μm四镜环形腔光学参量振荡器。
单掺钬(Ho3+)激光晶体可选择的掺杂基质包括氟化钇锂(YLF)、氟化镥锂(LuLF)、铝酸钇(YAP)、镏铝石榴石(LuAG)、钒酸钇(YVO4)和钇铝石榴石(YAG)等。光学参量振荡谐振腔由四片平面镜组成，其中一片作为OPO输出镜，镀3-5μm/6-12μm部分透射膜；其余三片中的任何一片都可以做输入镜，其一面镜2μm高透膜，另一面镀2μm高透和3-5μm/6-12μm高反膜。光学参量振荡晶体为ZnGeP2晶体，双端镀2μm和3-5μm/6-12μm高透膜。
Ho激光1经由电控转镜2调节出光角度，设置三个角度，三个档位，精确控制Ho激光出光角度，一档出2微米，二档经过平面反射镜3-1反射到3-5μm光参量振荡器中，透镜4-1和透镜4-2组成光耦合系统将2微米激光耦合到非线性晶体6-1上，产生3-5μm检测激光。三档经过平面反射镜3-2和平面反射镜3-3反射到6-12μm光参量振荡器中，透镜4-3和透镜4-4组成光耦合系统将2微米激光耦合到非线性晶体6-2上，产生6-12μm检测激光。
Ho晶体选用Ho:YAG晶体，长度100mm，Ho3+掺杂浓度为0.8at.%。Tm:YLF激光器的发射波长为1908nm，Ho激光器输出镜曲率半径为-300mm，2.1μm的透过率为50%，OPO输出镜对3-5μm/6-12μm透过率为50%。
采用上述参数，可以获得105W的2.1μm脉冲激光，当向两个不同角度ZnGeP2光学参量振荡器注入2.1μm Ho:YAG泵浦激光105W时，可以获得40W稳定的3-5μm中红外激光输出和10W稳定的6-12μm 远红外激光输出，有利于获得清晰的检测光谱，从而对待检测气体的浓度进行精准检测。
如图3所示，本发明提供的一种测量多种气体浓度的方法，包括如下步骤：
步骤S1：采用1.9μm的窄线宽单掺铥(Tm3+)固体激光器泵浦Ho晶体，
获得2μm的窄线宽近红外激光输出；
步骤S2：通过电控转镜2调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光；
步骤S3：控制2μm激光的出光角度，使其在第一出射角度下经反射镜2-1和反射镜2-2反射后射入气体检测池10，对所述气体检测池10中的甲烷气体浓度进行检测；其中，甲烷的吸收峰在2μm附近。
步骤S4：控制2μm激光的出光角度，使其在第二出射角度下射入第一四镜环形谐振腔，与所述第一四镜环形谐振腔内的第一非线性晶体耦合，生成3-5μm中红外激光，使3-5μm中红外激光射入气体检测池10，对所述气体检测池中的氨气浓度和/或一氧化碳浓度进行检测；其中，氨气吸收峰在4.235μm附近、一氧化碳吸收峰在4.0298μm附近。通过OPO调节，可以在3-5μm范围中输出满足4.235μm附近或4.0298μm附近的窄线宽检测激光，从而对混合气体中的氨气浓度和/或一氧化碳浓度进行检测。
步骤S5：控制2μm激光的出光角度，使其在第三出射角度下射入第二四镜环形谐振腔，与所述第二四镜环形谐振腔内的第二非线性晶体耦合，生成6-12μm远红外激光，使6-12μm远红外激光射入气体检测池10，对所述气体检测池中的二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度进行检测。其中，二氧化碳气体的吸收峰在6.77微米附近，乙炔气体的吸收峰在6.88微米附近，乙烯气体的吸收峰在9.74微米或10.17微米附近，乙烷气体的吸收峰在6.3041微米或11.82微米附近。通过OPO调节，可以在6-12μm范围中输出满足上述波长的窄线宽检测激光，从而对混合气体中的二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度进行检测。
进一步的，所述第一四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第一输入镜5-1、第一反射镜5-3、第二反射镜5-2和第一输出镜7，其中，第一输入镜5-1镀2μm高透和3-5μm高反膜，第一反射镜5-3和第二反射镜5-2镀3-5μm高反膜，第一输出镜7镀3-5μm部分透射膜。采用四镜环形腔设计，使得2μm激光不再受反馈影响，整个激光光源具有较高的稳定性。
进一步的，所述第二四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第二输入镜8-1、第三反射镜8-3、第四反射镜8-2和第二输出镜9，其中，第二输入镜8-1镀2μm高透和8-12μm高反膜，第三反射镜8-3和第四反射镜8-2镀6-12μm高反膜，第二输出镜9镀6-12μm部分透射膜。采用四镜环形腔设计，使得2μm激光不再受反馈影响，整个激光光源具有较高的稳定性。
进一步的，所述方法还包括：
从所述气体检测池10射出的检测光射入光谱仪11，获得各检测光的光谱；
获得光谱仪11中的光谱图像后通过数据处理中心12，对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷气体浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷气体浓度。
在一些实施例中，如图1所示，所述电控转镜包括电控平台以及设置于所述电控平台上的三棱镜，通过所述电控平台微调所述三棱镜的角度，使得入射到所述三棱镜同一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三棱镜的另一个出光面上分别沿不同方向发射2μm激光。
在另外的一些实施例中，如图2所示，所述电控转镜包括电控平台21以及设置于所述电控平台上的三面体转镜20，通过所述电控平台21调控所述三面体转镜20的角度，使得入射到所述三面体转镜20的每一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三面体转镜分别沿不同方向发射2μm激光。
进一步的，所述三面体转镜20包括转轴204以及围绕所述转轴204设置的三块转镜，包括第一转镜201、第二转镜202以及第三转镜203，第一转镜201、第二转镜202以及第三转镜203的镜面朝向与所述转轴204相反的一侧，其中两块转镜，例如第一转镜201、第二转镜202的镜面与所述转轴204所形成的夹角的朝向不同，其中第一转镜201的镜面与所述转轴204所形成的夹角向上，第二转镜202的镜面与所述转轴204所形成的夹角向下，其中夹角均大于零小于45度。一块转镜，例如第三转镜203的镜面与所述转轴204平行。第一转镜201、第二转镜202以及第三转镜203的与转轴204的夹角均不同，有利于获得不同方向的2μm激光。通过获得不同方向的2μm窄线宽激光输出，一路直接射入气体检测池，对所述气体检测池中的甲烷气体浓度进行检测，一路经过反射镜射入第一四镜环形谐振腔，获得3-5μm中红外激光，再射入气体检测池，对所述气体检测池中的氨气和/或一氧化碳浓度进行检测；另一路射入第二四镜环形谐振腔，与所述第二四镜环形谐振腔内的第二非线性晶体耦合，生成6-12μm远红外激光，使6-12μm远红外激光射入气体检测池，对所述气体检测池中的二氧化碳、乙炔、乙烯和/或乙烷气体浓度进行检测。本实施例的光路结构不再图示，参考图1理解。
进一步的，通过所述电控平台调控所述三面体转镜20的旋转速度，使得入射到所述三面体转镜20的每一面上的入射光角度发生连续变化，从而控制从所述三面体转镜20分别沿不同方向顺序发射2μm激光。
在一些实施例中，对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷气体浓度，包括：
通过所述光谱仪获得三个波长下的吸收光谱，基于所述吸收光谱获得对应波长的吸收参数；
基于所述吸收参数计算多种气体中的各种气体的浓度，各气体浓度满足如下公式：
Figure 785061DEST_PATH_IMAGE001
，M为气体的浓度，c为光速，h为普朗克常量，
Figure 196450DEST_PATH_IMAGE002
为气体吸收峰的频率，
Figure 837647DEST_PATH_IMAGE003
为对应气体的吸收峰波长，其中波长与待检测气体种类相对应，每一种待检测气体对应一种检测波长，例如为2微米、4.235微米、4.0298微米、6.77微米、6.88微米、9.74微米、10.17微米 、6.3041微米或11.82微米，B为气体吸收跃迁常数，对应不同的待检测气体，可以有不同的气体吸收跃迁常数，L为气体样品池的长度，S为气体吸收峰所围的面积，可以根据光谱仪自带软件计算出每一种气体吸收峰所围面积S，通过该计算公式可以计算出多种气体中的各种气体的浓度。
本发明通过电控转镜调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光，进而产生近红外、中红外和远红外三种波段检测激光，并将其输入气体检测池中，通过调节可以通过一套光源提供2-12微米范围内的检测激光，同时满足多种气体的浓度检测，通过上述各种检测气体满足的计算公式，即可计算出多种气体中的各种气体的浓度。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
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 (10)

1.一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：采用1.9μm的窄线宽单掺铥固体激光器泵浦Ho晶体，获得2μm的窄线宽近红外激光输出；
步骤S2：通过电控转镜调节出光角度，设置三个档位，使其在三个档位下分别沿不同方向发射2μm激光；
步骤S3：控制2μm激光的出光角度，使其在第一出射角度下射入气体检测池，对所述气体检测池中的甲烷气体浓度进行检测；
步骤S4：控制2μm激光的出光角度，使其在第二出射角度下射入第一四镜环形谐振腔，与所述第一四镜环形谐振腔内的第一非线性晶体耦合，生成3-5μm中红外激光，使3-5μm中红外激光射入气体检测池，对所述气体检测池中的氨气和/或一氧化碳浓度进行检测；
步骤S5：控制2μm激光的出光角度，使其在第三出射角度下射入第二四镜环形谐振腔，与所述第二四镜环形谐振腔内的第二非线性晶体耦合，生成6-12μm远红外激光，使6-12μm远红外激光射入气体检测池，对所述气体检测池中的二氧化碳、乙炔、乙烯和/或乙烷气体浓度进行检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第一输入镜、第一反射镜、第二反射镜和第一输出镜，其中，第一输入镜镀2μm高透和3-5μm高反膜，第一反射镜和第二反射镜镀3-5μm高反膜，第一输出镜镀3-5μm部分透射膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二四镜环形谐振腔包括：沿光路依次设置的第二输入镜、第三反射镜、第四反射镜和第二输出镜，其中，第二输入镜镀2μm高透和6-12μm高反膜，第三反射镜和第四反射镜镀6-12μm高反膜，第二输出镜镀6-12μm部分透射膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
从所述气体检测池射出的检测光射入光谱仪，获得各检测光的光谱；
对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷气体浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电控转镜包括电控平台以及设置于所述电控平台上的三棱镜，通过所述电控平台微调所述三棱镜的角度，使得入射到所述三棱镜同一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三棱镜的另一个出光面上分别沿不同方向发射2μm激光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电控转镜包括电控平台以及设置于所述电控平台上的三面体转镜，通过所述电控平台调控所述三面体转镜的角度，使得入射到所述三面体转镜的每一面上的入射光角度发生变化，从而控制从所述三面体转镜分别沿不同方向发射2μm激光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述三面体转镜包括转轴以及围绕所述转轴设置的三块转镜，所述转镜的镜面朝向与所述转轴相反的一侧，其中两块转镜的镜面与所述转轴所形成的夹角的朝向不同。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：其中一块转镜的镜面与所述转轴平行。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过所述电控平台调控所述三面体转镜的旋转速度，使得入射到所述三面体转镜的每一面上的入射光角度发生连续变化，从而控制从所述三面体转镜分别沿不同方向顺序发射2μm激光。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：对所述光谱仪中的光谱分析后确定所述气体检测池中甲烷气体浓度、氨气浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、乙炔浓度、乙烯浓度和/或乙烷浓度，包括：
通过所述光谱仪获得三个波长下的吸收光谱，基于所述吸收光谱获得对应波长的吸收参数；
基于所述吸收参数计算多种气体中的各种气体的浓度，各气体浓度满足如下公式：
Figure 419100DEST_PATH_IMAGE001
，M为气体的浓度，c为光速，h为普朗克常量，
Figure 232335DEST_PATH_IMAGE002
为气体吸收峰的频率，
Figure 199154DEST_PATH_IMAGE003
为对应气体的吸收峰波长，B为气体吸收跃迁常数，L为气体样品池的长度，S为气体吸收峰所围的面积。
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