CN117929313A - 增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法，属于激光光谱分析检测的技术领域，包括激光源、空芯光波导、高反射镜、压力控制器、真空泵、探测器和计算机。该激光源的输出波长与被测气体同位素的吸收谱峰重合，激光进入空芯光波导后，被两端的高反射镜多次反射，输出光被探测器收集，获得光谱信号。将红外光谱与标准谱库的数据进行对比分析，计算得到待测气体浓度与同位素比率。本发明通过在空芯光波导两端引入两片高反射镜，增加吸收光程，从而提高了系统的测量灵敏度。

Description

增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱分析检测的技术领域，具体涉及一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法。

背景技术

空芯光波导是一种可以传输激光与气体的新型小型化气体池，实现气体高灵敏度测量功能。相比传统同位素测量技术，基于空芯光波导的气体浓度与同位素比率测量技术具有以下优势：1、单一激光器可同时测量多种气体浓度与同位素，系统结构简单，操作便捷。2、可以对气体样本直接测量，无需预处理，系统响应速度快，可实时在线测量。3、所需的样本体积很小，只需要几毫升。

但是，常见的基于空芯光波导的气体浓度与同位素测量系统，通常气体与激光相互作用的光程基本与空芯光波导的物理长度一致，其测量精度有限。使用更长的空芯光波导可以增加系统测量精度，但由于空芯光波导制作工艺的限制，其长度有限，价格昂贵。在高精度气体浓度与同位素比率测量应用中，传统的技术方案难以满足测量的精密度需求。因此亟需研究提高气体浓度与同位素比率测量的灵敏度的装置和方法。

发明内容

为了提高现有技术中空芯光波导气体浓度与同位素比率测量系统的测量灵敏度，本发明提供一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法，通过在传统测量系统的空芯光波导两端引入两片高反射镜，增加吸收光程，从而提高了系统的测量灵敏度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置，包括激光源、第一高反射镜、第一气室模块、压力控制器、空芯光波导、第二气室模块、真空泵、第二高反射镜、探测器和计算机；所述激光源发射的激光通过第一高反射镜、第一气室模块射入所述空芯光波导中；从所述空芯光波导射出的激光依次经过第二气室模块、第二高反射镜进入检测单元；所述第一高反射镜、第二高反射镜、第一气室模块、第二气室模块和空芯光波导构成增强型空芯光波导组件；第一气室模块、第二气室模块均由红外窗片、气管接口和空芯光波导接口组成；空芯光波导的内部填充低压条件下的待测气体；所述压力控制器与第一气室模块的气管接口相连接，用于控制空芯光波导内的压力；所述真空泵与第二气室模块的气管接口相连接，用于在空芯光波导内形成低压条件，使得待测气体的同位素分子的吸收峰相互分离，减少谱峰重叠；所述探测器用于检测通过所述空芯光波导的待测气体且经所述第二高反射镜射出的激光；所述计算机用于得到所述待检测气体的激光吸收光谱信号。

进一步地，所述激光源为量子级联激光器，用于发射目标气体吸收波长的激光。

进一步地，所述第一高反射镜、第二高反射镜的反射率≥90%。

本发明还提供一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量方法，包括：

所述激光源发射的激光透过第一高反射镜后，再透过第一气室模块的红外窗片，进入空芯光波导的内部，以使所述激光与待测气体相互作用后，经第二气室模块的红外窗片，到达第二高反射镜，一部分激光透过第二高反射镜到达探测器，一部分激光在所述第一高反射镜、空芯光波导与第二高反射镜之间来回反射；

所述探测器探采集经待测气体吸收后的激光光强信号，由所述计算机处理为待测气体的红外光谱信号，将红外光谱信号与标准谱库的数据进行对比分析，由朗伯-比尔定律得到待测气体的浓度；待测气体的浓度是其包含的多种稳定同位素分子浓度的总和；

通过测量待测气体包含的各稳定同位素分子的浓度，根据公式计算同位素的比率R，其中/>表示重同位素浓度，/>表示轻同位素浓度。

有益效果：

由于空芯光波导的光程基本与其物理长度一致，在高精度气体浓度与同位素比率测量应用中，传统的技术方案难以满足测量的灵敏度需求，本发明通过在传统测量系统的空芯光波导两端引入两片高反射镜，构成增强型空芯光波导系统，激光入射耦合到空芯光波导中，在两个高反射镜片间多次反射，增加激光与待测气体的相互作用长度，获得更强的吸收信号，提高气体浓度与同位素比率测量的灵敏度。增强型空芯光波导系统既增加了气体吸收光程，又具有空芯光波导的小体积、快速响应的优点。

附图说明

图1为本发明的增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置的结构示意图；

图2为实测吸收光谱对比示意图；

图3为光路示意图。

其中，1、激光源；2、第一高反射镜；3、第一气室模块；4、压力控制器；5、空芯光波导；6、第二气室模块；7、真空泵；8、第二高反射镜；9、探测器；10、计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置包括激光源1、第一高反射镜2、第一气室模块3、压力控制器4、空芯光波导5、第二气室模块6、真空泵7、第二高反射镜8、探测器9、计算机10。所述激光源1为量子级联激光器，用于发射目标气体吸收波长的激光，所述激光通过第一高反射镜2、第一气室模块3射入所述空芯光波导5中。从所述空芯光波导5射出的激光依次经过第二气室模块6、第二高反射镜8进入探测器9。图1中，第二高反射镜8与第二气室模块6之间的激光进行多次反射。

所述第一高反射镜2、第二高反射镜8、第一气室模块3、第二气室模块6和空芯光波导5构成增强型空芯光波导组件。所述第一高反射镜2、第二高反射镜8的反射率≥90%；第一气室模块3、第二气室模块6均由红外窗片、气管接口和空芯光波导接口组成；空芯光波导5的内部可填充低压条件下的待测气体。

所述压力控制器4与第一气室模块3的气管接口相连接，用于控制空芯光波导5内的压力。

所述真空泵7与第二气室模块6的气管接口相连接，用于在空芯光波导5内形成低压条件，使得待测气体同位素分子的吸收峰相互分离，减少谱峰重叠。

所述探测器9用于检测通过所述空芯光波导5的待测气体且经所述第二高反射镜8射出的激光。

所述计算机10用于得到所述待检测气体的激光吸收光谱信号。

以测量CO₂气体同位素为例，激光源1采用中心波长为4.32µm的量子级联激光器，激光源1的温度电流驱动模块中的温度和电流分别设置为27°C和321 mA，使量子级联激光器输出波长覆盖¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O和¹⁸O¹²C¹⁶O的吸收线。气体池由增强型空芯光波导组件组成，增强型空芯光波导组件包括第一高反射镜2、第二高反射镜8、第一气室模块3、第二气室模块6和空芯光波导5。所述第一高反射镜2、第二高反射镜8的反射率≥90%；第一气室模块3、第二气室模块6均由红外窗片、气管接口和空芯光波导接口组成；空芯光波导5的芯径为1mm，长度为1m，气体容积约为0.79ml。激光器1出射的光聚焦到增强型空芯光波导组件构成的气体池中，与待测气体相互作用后，被碲镉汞光电探测器接收。使用数据采集卡采集信号并传输至编写的数据处理程序，获得气体吸收光谱。使用真空泵7和压力控制器4将气体池内的压力控制在设定值，实现压力动态平衡。在90mbar压力条件下，实测浓度为0.1%的CO₂气体，其光谱信号如图2所示。增强型空芯光波导组件相比于传统装置测量的吸收光谱信号强度提高至少2倍。

本发明的增强原理为：

根据气体吸收朗伯-比尔定律：

，

其中，为经过气体吸收后的光强，/>为未经过气体吸收的原始光强，/>为气体吸收系数，/>为空芯光波导的长度，/>为待测气体浓度。exp（）为指数函数。

根据此定律，在增强型空芯光波导中，光束入射耦合到空芯光波导5中，在第一高反射镜2、第二高反射镜8间多次反射，每次都会有部分光不断地从两端的第一高反射镜2、第二高反射镜8中透射出去，如图3所示。激光从第一高反射镜2入射，在第二高反射镜8之间产生一次透射光、二次透射光、三次透射光。经过在考虑吸收与空芯光波导传输损耗的情况下，对透过第二高反射镜8的所有光的光强进行积分探测，气体吸收信号得到有效增强。

初次透射光强为：，

其中，为高反射镜片的透射率，/>为空芯光波导的损耗系数。

二次透射光强为：，

三次透射光强为：，

总透射光强为：

，

其中，i为透射序号，n为透射总次数。

由上述推导可证明，增强型空芯光波导其有效光程比传统的空芯光波导的物理长度要更长。由于空芯光波导传输激光时存在一定的损耗，因此三次及以上的透射光强相比于初次和一次透射光强弱很多，实际应用中可选择有限次计算总透射光强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置，其特征在于，包括激光源、第一高反射镜、第一气室模块、压力控制器、空芯光波导、第二气室模块、真空泵、第二高反射镜、探测器和计算机；所述激光源发射的激光通过第一高反射镜、第一气室模块射入所述空芯光波导中；从所述空芯光波导射出的激光依次经过第二气室模块、第二高反射镜进入检测单元；所述第一高反射镜、第二高反射镜、第一气室模块、第二气室模块和空芯光波导构成增强型空芯光波导组件；第一气室模块、第二气室模块均由红外窗片、气管接口和空芯光波导接口组成；空芯光波导的内部填充低压条件下的待测气体；所述压力控制器与第一气室模块的气管接口相连接，用于控制空芯光波导内的压力；所述真空泵与第二气室模块的气管接口相连接，用于在空芯光波导内形成低压条件，使得待测气体的同位素分子的吸收峰相互分离，减少谱峰重叠；所述探测器用于检测通过所述空芯光波导的待测气体且经所述第二高反射镜射出的激光；所述计算机用于得到所述待检测气体的激光吸收光谱信号。

2.根据权利要求1所述的一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置，其特征在于，所述激光源为量子级联激光器，用于发射目标气体吸收波长的激光。

3.根据权利要求1所述的一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置，其特征在于，所述第一高反射镜、第二高反射镜的反射率≥90%。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

所述激光源发射的激光透过第一高反射镜后，再透过第一气室模块的红外窗片，进入空芯光波导的内部，以使所述激光与待测气体相互作用后，经第二气室模块的红外窗片，到达第二高反射镜，一部分激光透过第二高反射镜到达探测器，一部分激光在所述第一高反射镜、空芯光波导与第二高反射镜之间来回反射；

所述探测器探采集经待测气体吸收后的激光光强信号，由所述计算机处理为待测气体的红外光谱信号，将红外光谱信号与标准谱库的数据进行对比分析，由朗伯-比尔定律得到待测气体的浓度；待测气体的浓度是其包含的多种稳定同位素分子浓度的总和；

通过测量待测气体包含的各稳定同位素分子的浓度，根据公式计算同位素的比率R，其中/>表示重同位素浓度，/>表示轻同位素浓度。