CN118050343A - 基于腔增强拉曼光谱技术的气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于腔增强拉曼光谱技术的气体检测装置，包括激光发射器、光隔离器、偏振光分离单元、聚焦透镜、二向色镜、气室、多通池、信号耦合系统、光谱仪、计算机；所述偏振光分离单元包括平面反射镜、PBS偏振分束器、1/4波片；激光发射器发射的激光经过光隔离器、偏振光分离单元、聚焦透镜和二向色镜后进入气室中，在气室内的多通池中多次反射后沿原路返回经过二向色镜、聚焦透镜，入射到偏振光分离单元中的平面反射镜上，平面反射镜再次反射的激光再次进入气室，在多通池多次反射后沿原路返回经过二向色镜、聚焦透镜、偏振光分离单元后由光隔离器反射出光路。本发明解决了现有技术中的气体检测装置没有充分利用激光功率影响检测限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及环境、医学、气体检测装置，尤其是涉及一种基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置。
背景技术
痕量多组分气体检测在社会生产生活中有广泛的需求，如工业生产废气排放检测、室内环境气体检测、人体呼吸成分检测、大气成分监测、海洋溶解气体检测等。
目前，常用的多组分气体检测方法包括电化学传感器法、气相色谱法、半导体传感器法、红外吸收光谱法、光声光谱法及光热光谱法。气相色谱法检测灵敏度高、选择性较好，但色谱柱易老化导致性能退化，必须定期进行维修与校准；电化学传感器法及半导体传感器法检测灵敏度高、响应速度快，但不同气体组分之间通常存在较为严重的交叉干扰，且传感材料易老化，同样存在维修与校准的问题；红外吸收光谱、光声光谱法及光热光谱法检测限很好，但难以检测低浓度同核双原子气体并且难以使用单一光源进行多组分气体的同时检测。
拉曼光谱气体检测基于拉曼散射效应，在某一频率的激发光作用下不同气体产生不同拉曼频移的散射光，利用接收装置接受拉曼散射信号，利用光谱仪对气体进行定量与定性分析。但是由于拉曼散射信号较弱需要一定的手段去增强，目前常用的增强方法有腔增强与波导增强两种，但由于波导增强背景噪声较大，因此多采用腔增强的增强方法。JuanGomez Velez 和Andreas Muller在2023年2月6日发表的名称为Ambient HydrocarbonDetection with an Ultra-Low-Loss Cavity Raman Analyzer论文（doi：10.1021/acs.analchem.2c04707）中公开的一种拉曼光谱气体检测装置，包括激光器、聚焦透镜、二向色镜、气室、多通池、信号耦合系统、光谱仪、电脑；激光器发出的光通过聚焦透镜聚焦后进入气室经过多通池多次反射后返回，产生的拉曼散射信号由耦合系统收集后进入光谱仪；光谱仪与电脑相连。该技术方案采用多通池增强了拉曼散射信号，提高了检测限，通过光谱仪检测拉曼频移的位置与强度可计算出气体的浓度与种类。但是，激光只在多通池内往返了一次，没有充分利用激发光的功率，因此对所需激发光功率要求较高。
发明内容
为解决现有技术存在的拉曼光谱的气体检测装置没有充分利用激发光功率，要求激光器功率高，影响系统散热、检测限不够的技术问题，本发明提供一种基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，使得激光在多通池能来回反射四次，达到了提高多通池内光功率，进而提高拉曼散射信号、提高了检测装置的检测限的目的。
本发明的技术方案是：
一种基于腔增强拉曼光谱技术的气体检测装置，包括激光发射器、光隔离器、偏振光分离单元、聚焦透镜、二向色镜、气室、多通池、信号耦合系统、光谱仪、计算机；所述偏振光分离单元包括平面反射镜、PBS偏振分束器、1/4波片；所述激光发射器发射的激光经过光隔离器、偏振光分离单元、聚焦透镜和二向色镜后进入气室中，在气室内的多通池中多次反射后沿原路返回经过二向色镜、聚焦透镜，入射到偏振光分离单元中的平面反射镜上，平面反射镜再次反射的激光经过PBS偏振光分束器、1/4波片、聚焦透镜、二向色镜后再次进入气室，在多通池多次反射后沿原路返回经过二向色镜、聚焦透镜、偏振光分离单元后由光隔离器反射出光路；所述信号耦合系统使用光纤连接光谱仪、所述光谱仪电连接计算机。
所述偏振光分离单元包括平面反射镜、PBS偏振分束器、1/4波片，激光发射器输出线偏振p光依次穿过光隔离器、PBS偏振光分束器和1/4波片后成为圆偏振光，圆偏振光穿过聚焦透镜和二向色镜后进入气室由多通池多次反射形成两个相邻焦点后沿原路返回变为反向旋转的圆偏振光再次穿过二向色镜、聚焦透镜、1/4波片成为线偏振s光，线偏振s光被PBS偏振分束器反射后经过平面反射镜反射后再次由pbs分束器反射穿过1/4波片后变为圆偏振光再次进入气室由多通池多次反射后沿原路返回，经过1/4波片后变为线偏振p光，线偏振p光穿过pbs偏振分束器后由光隔离器反射出光路。
所述多通池的第二球面反射镜与第一球面反射镜距离与夹角满足光线原路返回条件。
所述多通池的倾斜角度满足光线原路返回条件。
所述多通池包括第一球面反射镜、第二球面反射镜，第二球面反射镜与第一球面反射镜距离与夹角满足光线在腔中形成两个相邻焦点的条件。
所述信号耦合系统的拉曼散射收集方向与激发光入射方向共线或者成0°-160°的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用特定角度的多通池与偏振光分离单元实现激光多次利用，在不提高激光器功率的情况下，提高了多通池内的激光功率；拉曼散射信号正比于光声池内激光功率，从而提高了拉曼散射信号的强度、提高了检测装置的检测限。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为多通池结构示意图。
图3为气室结构示意图。
图4所示为拉曼散射信号直接由信号耦合系统在多通池的两侧320°范围内进行收集。
图中：1-激光发射器；2-光隔离器；3-偏振光分离单元；4-聚焦透镜；5-二向色镜；6-气室；7-多通池；8-信号耦合系统；9-光谱仪；10-计算机；31-平面反射镜；32-pbs偏振分束器；33-1/4波片；71-第一球面反射镜；72-第二球面反射镜。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1
如图1和2所示，为了便于理解，图中实线表示光路，箭头表示光路方向；虚线表示信号连接；点划线框出了偏振光分离单元3和气室6。
如图1、2、3所示，一种基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，包括激光发射器1、光隔离器2、偏振光分离单元3、聚焦透镜4、二向色镜5、气室6、多通池7、信号耦合系统8、光谱仪9、计算机10。激光器1发射的激光依次经过光隔离器2、偏振光分离单元3、聚焦透镜4、二向色镜5后进入气室6。经过气室6内的多通池7多次反射原路返回穿过二向色镜5、聚焦透镜4、1/4波片33后被PBS偏振分束器32反射，入射平面反射镜31。平面反射镜31反射的激光经过PBS偏振分束器32反射后再次穿过1/4波片33、聚焦透镜4、二向色镜5后进入气室6。经过多通池7多次反射形成两个相邻焦点后原路返回穿过二向色镜5、聚焦透镜4、1/4波片33、PBS偏振分束器32后由光隔离器2反射出光路。平面反射镜31为0°反射镜。偏振光分离单元3包括平面反射镜31、PBS偏振分束器32、1/4波片33。气室6包括进气口61、出气口62、光学窗口63。多通池7包括第一球面反射镜71、第二球面反射镜72，第二球面反射镜与第一球面反射镜成0.05°的夹角，第二球面反射镜与入射光线成14.2°的夹角，具有使光线多次在第一球面反射镜与第二球面反射镜之间反射形成两个相邻焦点后原路返回的作用。
激光发射器1输出波长为532nm的激光。激光发射器1输出线偏振P光，依次穿过光隔离器2，PBS偏振分束器32,，1/4波片33成为圆偏振光，圆偏振由聚焦透镜4聚焦后穿过二向色镜5，穿过光学窗口63后进入气室6，圆偏振光首先入射在第二球面反射镜72上在多通池7内多次反射后原路返回，从光学窗口63出射后穿过二向色镜5，由聚焦透镜4准直后穿过1/4波片33后变为线偏振S光，线偏振S光被PBS偏振分束器31反射后入射到平面反射镜31上平面反射镜31反射后再次经过pbs偏振分束器32反射后经过1/4波片33后由线偏振s光变为圆偏振光，圆偏振由聚焦透镜4聚焦后穿过二向色镜5，穿过光学窗口63后进入气室6，圆偏振光首先入射在第二球面反射镜72上在多通池7内多次反射形成两个相邻焦点后原路返回，从光学窗口63出射后穿过二向色镜5，由聚焦透镜4准直后穿过1/4波片33后变为线偏振P光，线偏振P光穿过PBS偏振分束器后由光隔离器反射出光路，防止激光损伤激光发射器1。信号耦合系统8与光谱仪9通过光纤连接。光谱仪9与计算机10电连接。被测气体由进气口61被抽入气室6中，被多通池7内多次反射的激光激发出拉曼散射光，由第一球面反射镜71和第二球面反射镜72反射聚焦后与激发光共线出射光学窗口63，拉曼散射信号经过二向色镜5反射后由准直透镜81准直后经过滤光片82过滤激发波长后由耦合透镜83耦合进入光纤，通过光纤进入光谱仪9进行检测分析，或者如图4所示拉曼散射信号可直接由信号耦合系统8在多通池6的两侧320°范围内进行收集。,I i 是拉曼散射信号强度，k是散射率，Ω是信号收集空间角，l是激发光的有效光程长度，/>是微分散射截面，n i 是特定气体种类的密度，I 0 是激发光的光强。拉曼散射信号的强度正比于激发光的光强与有效光程长度，在不提高激光发射器的功率的前提下，采用多通池7与偏振光分离单元3实现激光在气室内多次反射并在第一球面反射镜71和第二球面反射镜72之间形成两个焦点，增大了焦点处的激发光光强，增长了激发光有效光程长度。从而提高了拉曼散射光的光强，提高了检测装置的检测限。光谱仪8将测得的拉曼光谱信系输出给计算机10，求取不同气体种类与浓度。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同技术方案给出。
Claims (6)
1.一种基于腔增强拉曼光谱技术的气体检测装置，其特征在于：包括激光发射器（1）、光隔离器（2）、偏振光分离单元（3）、聚焦透镜（4）、二向色镜（5）、气室（6）、多通池（7）、信号耦合系统（8）、光谱仪（9）、计算机（10）；所述偏振光分离单元（3）包括平面反射镜（31）、PBS偏振分束器（32）、1/4波片（33）；所述激光发射器（1）发射的激光经过光隔离器（2）、偏振光分离单元（3）、聚焦透镜（4）和二向色镜（5）后进入气室（6）中，在气室（6）内的多通池（7）中多次反射后沿原路返回经过二向色镜（5）、聚焦透镜（4），入射到偏振光分离单元（3）中的平面反射镜（31）上，平面反射镜（31）再次反射的激光经过PBS偏振光分束器（32）、1/4波片（33）、聚焦透镜（4）、二向色镜（5）后再次进入气室（6），在多通池（7）多次反射后沿原路返回经过二向色镜（5）、聚焦透镜（4）、偏振光分离单元（3）后由光隔离器（2）反射出光路；所述信号耦合系统（8）使用光纤连接光谱仪（9）、所述光谱仪电连接计算机（10）。
2.根据权利要求1所述的基于腔增强拉曼光谱技术的气体检测装置，其特征在于：所述偏振光分离单元（3）包括平面反射镜（31）、PBS偏振分束器（32）、1/4波片（33），激光发射器（1）输出线偏振p光依次穿过光隔离器（2）、PBS偏振光分束器（32）和1/4波片（33）后成为圆偏振光，圆偏振光穿过聚焦透镜（4）和二向色镜（5）后进入气室（6）由多通池（7）多次反射形成两个相邻焦点后沿原路返回变为反向旋转的圆偏振光再次穿过二向色镜（5）、聚焦透镜（4）、1/4波片（33）成为线偏振s光，线偏振s光被PBS偏振分束器（32）反射后经过平面反射镜（31）反射后再次由pbs分束器（32）反射穿过1/4波片（33）后变为圆偏振光再次进入气室（6）由多通池（7）多次反射后沿原路返回，经过1/4波片后变为线偏振p光，线偏振p光穿过pbs偏振分束器（32）后由光隔离器（2）反射出光路。
3.根据权利要求1或2所述的基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，其特征在于：所述多通池（7）的第二球面反射镜（72）与第一球面反射镜（71）距离与夹角满足光线原路返回条件。
4.根据权利要求1或2所述的基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，其特征在于：所述多通池（7）的倾斜角度满足光线原路返回条件。
5.根据权利要求1或2所述的基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，其特征在于：所述多通池（7）包括第一球面反射镜（71）、第二球面反射镜（72），第二球面反射镜（72）与第一球面反射镜（71）距离与夹角满足光线在腔中形成两个相邻焦点的条件。
6.根据权利要求1或2所述的基于腔增强拉曼光谱的气体检测装置，其特征在于：所述信号耦合系统（8）的拉曼散射收集方向与激发光入射方向共线或者成0°-160°的夹角。
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