CN203732449U

CN203732449U - 一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置

Info

Publication number: CN203732449U
Application number: CN201420092145.4U
Authority: CN
Inventors: 张大伟; 王文; 高秀敏; 黄元申; 张雷洪
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2024-03-03

Abstract

本实用新型涉及一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用无源腔，利用激光器出射光束斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成存在像差的光学稳定腔，其中一个球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光束经过小孔斜入射到光学稳定腔中，在光学稳定腔中多次反射，激光束经过区域中的被测气体发生拉曼散射，拉曼散射光经滤波后，被光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件收集，输入到光电检测部件中，光电检测部件检测被测气体的特征拉曼频移和对应拉曼峰强度，得到被测气体浓度。此装置简单、稳定性好、可靠性高、同时检测多种气体、灵敏度高。

Description

一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体浓度检测装置，特别涉及一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置。

背景技术

痕量气体检测需求广泛存在于环境分析、资源勘探、食品安全、生命科学、医学医疗、工业过程控制等许多领域，并且这些领域对痕量气体检测的灵敏度要求也越来越高。腔增强痕量气体检测技术一种灵敏度非常高的光谱检测技术，是指利用高精细度腔来提高检测灵敏度的测量技术的总称，由于腔增强痕量气体检测技术具有检测灵敏度高、可以绝对测量、选择性好等优点，引起广泛关注，也成为了痕量气体检测技术的持续发展方向之一。

在先技术中，存在基于腔增强的痕量气体检测装置，TigerOptics、Los Gatos Research、Picarro等公司进行相关技术研究，并且开发出了系列腔增强痕量气体检测装置，此在先技术具有一定的优点，但是仍然存在不足：基于气体吸收光谱原理进行检测，气体检测时抗干扰性不高；不便于同时检测多种气体；对所检测的气体种类具有很强的选择性，检测气体种类有限；部分装置需要使用声光或电光调制器来对光束进行开关控制，需要光隔离器消除回返光影响，导致系统复杂，仪器成本高，现场环境适应能力弱。

在先技术中，也存在基于拉曼效应的腔增强的痕量气体检测装置，参见美国Atmosphere Recovery公司的激光气体分析仪产品，以及中国实用新型专利，专利名称：一种录井用拉曼光谱气体检测系统，专利号：ZL201120284529.2，这种激光激光气体分析仪具有一定的有点，但是由于采用有源腔结构，即激光工作介质和气体室均在谐振腔内部，这样增加了系统复杂度，降低了装置抗干扰性，影响装置现场使用适应能力。

发明内容

本实用新型是针对现在痕量气体检测装置存在的问题，提出了一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，具有结构简洁、气体检测时抗干扰性强、同时检测多种气体、灵敏度高、响应速度快、现场环境适应能力、维护容易等特点。

本实用新型的技术方案为：一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，包括激光光源、入射球面反射镜、出射球面反射镜、侧面反射镜、滤光片、光束会聚元件、光电检测部件，入射球面反射镜的旋转对称轴上倾斜放置出射球面反射镜，入射球面反射镜和出射球面反射镜的球面反射面相对，入射球面反射镜的球面曲率半径为R₁，出射球面反射镜的球面曲率半径为R₂，入射球面反射镜和出射球面反射镜的反射球面中心点间距为d，R₁、R₂和d三者满足关系为0<(1-d/R₁)(1-d/R₂)<1，被检测气体置于由入射球面反射镜和出射球面反射镜形成的光学稳定腔中；在入射球面反射镜的旋转对称轴垂直方向，光学稳定腔外一边依次放置滤光片、光束会聚元件、光电检测部件，光学稳定腔外另一边放置侧面反射镜，入射球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光光源出射光束经过入射球面反射镜的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的具有像差的光学稳定腔中；激光束经过光学稳定腔中的被检测气体再受激发射拉曼光，一部分拉曼光依次经过滤光片、光束会聚元件到光电检测部件检测接收，另一部分拉曼光经过侧面反射镜反射，同样依次经过滤光片、光束会聚元件到光电检测部件检测接收。

所述滤光片对激光光源出射光束为低透过率，透过率小于5%，滤光片对被检测气体激光拉曼光为高透过率，透过率大于95%。

所述的入射球面反射镜上的透光孔为未镀有反射膜的圆形通光孔。

所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

所述的侧面反射镜为轮胎曲面凹面反射镜、球面凹面反射镜、柱面凹面反射镜其中的一种。

所述的光束会聚元件为复合球面透镜、非球面透镜其中的一种。

所述的光电检测部件是单传感元光电探测器组、光谱仪其中的一种。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用无源腔，将激光器设置在外侧，利用激光斜入射腔增强原理，避免了常规红外腔增强技术的结构复杂，避免使用声光或电光调制器来对光束进行开关控制，也不需要光隔离器消除回返光影响，同时，也没有现有有源腔拉曼气体分析装置的复杂结构，具有系统简单、稳定性好、可靠性高的特点，同时提高了检测装置的抗干扰性；装置具有拉曼气体检测和高精细度强检测的多重特点，可实时在线进行测量，提高过程的动态信息，以利于进行最佳控制；多点测量，一般可以测试几十种气体，可以对全程进行分析和监控；可以测量除了惰性气体外几乎所有气体的浓度；量程范围广，探测下限可以达到几十个ppm；响应速度快，响应时间快；容易使用，操作简单，维护容易；本装置同时采用了侧面反射镜反射背向探测方向传播的拉曼光束，使这部分拉曼也可以被光电检测部件检测接收，增加了收集到的光强，同时采用一个腔镜微微倾斜引入谐振腔像差，减低光束从入射孔出射的几率，即增加了光束在腔内传播的有效光程长度，进一步提高了气体含量检测灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型腔增强激光拉曼气体浓度检测装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示腔增强激光拉曼气体浓度检测装置结构示意图，装置包括激光光源1、入射球面反射镜2、出射球面反射镜3、侧面反射镜7、滤光片4、光束会聚元件5、光电检测部件6。入射球面反射镜2的旋转对称轴O1O2上放置出射球面反射镜3，出射球面反射镜3的旋转对称轴与入射球面反射镜2的旋转对称轴O1O2存在一个夹角，即，出射球面反射镜3倾斜放置在旋转对称轴O1O2上，入射球面反射镜2和出射球面反射镜3的球面反射面相对，均向内侧，入射球面反射镜2反射率和出射球面反射镜3反射率均高于85%；入射球面反射镜2的球面曲率半径为R₁，出射球面反射镜3的球面曲率半径为R₂，入射球面反射镜2和出射球面反射镜3的反射球面中心点间距为d，R₁、R₂和d三者满足关系为0<(1-d/R₁)(1-d/R₂)<1，入射球面反射镜2和出射球面反射镜3构成了具有像差的光学稳定腔；入射球面反射镜2的离轴位置上设置有透光孔201，激光光源1出射光束经过入射球面反射镜2的透光孔201斜入射到由入射球面反射镜2和出射球面反射镜3构成的具有像差的光学稳定腔中，激光光源1出射光束方向与入射球面反射镜2的旋转对称轴O1O2存在夹角；入射球面反射镜2和出射球面反射镜3构成具有像差光学稳定腔的侧面依次放置同轴的滤光片4、光束会聚元件5和光电检测部件6，滤光片4、光束会聚元件5和光电检测部件6所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴相交；光学稳定腔的另一方向侧面放置有侧面反射镜7。滤光片4对激光光源1出射光束为低透过率的，透过率小于5%，滤光片4对被检测气体激光拉曼光为高透过率的，透过率大于95%。

所述的入射球面反射镜2上的透光孔201为未镀有反射膜的圆形通光孔。

所述的激光光源1为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

所述的侧面反射镜7为轮胎曲面凹面反射镜、球面凹面反射镜、柱面凹面反射镜其中的一种。

所述的光束会聚元件5为复合球面透镜、非球面透镜其中的一种。

所述的光电检测部件6是单传感元光电探测器组、光谱仪其中的一种。

激光光源1采用LD泵浦固体激光光源，激光出射光束直径为1毫米，侧面反射镜3为轮胎曲面凹面反射镜，光束会聚元件5为复消色差的复合球面透镜组，光电检测部采用光谱仪。入射球面反射镜2和出射球面反射镜3均为平凹球面反射镜，入射球面反射镜2的球面曲率半径为150厘米，射球面反射镜3的球面曲率半径为200厘米，入射球面反射镜2和出射球面反射镜3的反射球面中心点间距为46厘米，出射球面反射镜3的旋转对称轴与入射球面反射镜2的旋转对称轴O1O2夹角为2度，即出射球面反射镜3平面一侧与旋转对称轴O1O2夹角为88度。入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的外径尺寸均为8厘米，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7反射率均为99.3%。入射球面反射镜2的透光孔201为未镀有反射膜的圆形区域，直径1毫米，孔中心距离镜面边缘距离为1.3毫米。

激光光源1出射光束经过入射球面反射镜2上的透光孔201斜入射到由入射球面反射镜2和出射球面反射镜3构成的具有像差的光学稳定腔中。激光束在光学稳定腔进行往复传播，被检测气体置于光学稳定腔中心位置，激光束经过区域中的被检测气体再受激发射拉曼光。拉曼光依次经过滤光片4、光束会聚元件5，被光电检测部件6检测接收。侧面反射镜7反射部分拉曼光，同样依次经过滤光片4、光束会聚元件5，被光电检测部件6检测接收。光电检测部件6通过被检测气体的拉曼光谱频移和拉曼峰值强度，得到被测区8域中检测气体浓度。本实施例成功完成了氧气、氮气、甲烷3种气体浓度的同时检测。本实用新型具有系统简单、稳定性好、可靠性高、同时检测多种气体、灵敏度高等特点。

Claims

1.一种腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，包括激光光源、入射球面反射镜、出射球面反射镜、侧面反射镜、滤光片、光束会聚元件、光电检测部件，入射球面反射镜的旋转对称轴上倾斜放置出射球面反射镜，入射球面反射镜和出射球面反射镜的球面反射面相对，入射球面反射镜的球面曲率半径为R₁，出射球面反射镜的球面曲率半径为R₂，入射球面反射镜和出射球面反射镜的反射球面中心点间距为d，R₁、R₂和d三者满足关系为0<(1-d/R₁)(1-d/R₂)<1，被检测气体置于由入射球面反射镜和出射球面反射镜形成的光学稳定腔中；在入射球面反射镜的旋转对称轴垂直方向，光学稳定腔外一边依次放置滤光片、光束会聚元件、光电检测部件，光学稳定腔外另一边放置侧面反射镜，入射球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光光源出射光束经过入射球面反射镜的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的具有像差的光学稳定腔中；激光束经过光学稳定腔中的被检测气体再受激发射拉曼光，一部分拉曼光依次经过滤光片、光束会聚元件到光电检测部件检测接收，另一部分拉曼光经过侧面反射镜反射，同样依次经过滤光片、光束会聚元件到光电检测部件检测接收。

2.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述滤光片对激光光源出射光束为低透过率，透过率小于5%，滤光片对被检测气体激光拉曼光为高透过率，透过率大于95%。

3.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述的入射球面反射镜上的透光孔为未镀有反射膜的圆形通光孔。

4.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

5.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述的侧面反射镜为轮胎曲面凹面反射镜、球面凹面反射镜、柱面凹面反射镜其中的一种。

6.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述的光束会聚元件为复合球面透镜、非球面透镜其中的一种。

7.根据权利要求1所述腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述的光电检测部件是单传感元光电探测器组、光谱仪其中的一种。