PL235262B1 - Laser gas detector and gas detection method - Google Patents
Laser gas detector and gas detection method Download PDFInfo
- Publication number
- PL235262B1 PL235262B1 PL426146A PL42614618A PL235262B1 PL 235262 B1 PL235262 B1 PL 235262B1 PL 426146 A PL426146 A PL 426146A PL 42614618 A PL42614618 A PL 42614618A PL 235262 B1 PL235262 B1 PL 235262B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- laser
- measuring
- beams
- excitation
- gas
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Laserowy detektor gazów, który zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający i tor pomiarowy, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy, oraz na końcu toru układ do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, zaś na części wspólnej dróg optycznych obu torów znajduje się badany gaz, a ponadto częstotliwość pracy lasera wzbudzającego jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa którejkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, charakteryzuje się tym, że badany gaz (1) znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego, a wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona punktowo, wzdłużnie bądź obszarowo do wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego. Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz oświetla się światłem laserowym o częstotliwości zgodnej z którąkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, co wywołuje jego wzbudzenie i wykorzystujący efekt fototermiczny, charakteryzuje się tym, że uprzednio badany gaz (1) umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego, a po wzbudzeniu gazu (1) i wyindukowaniu efektu fototermicznego zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu (1) jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru albo poprzez odniesienie do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu o znanej koncentracji.Laser gas detector, which includes laser optical paths: an excitation path and a measurement path, where the excitation path contains an excitation laser, while the measurement path contains a measuring laser, and at the end of the path a system for measuring the operating frequency of the measuring laser, and on the common part of the optical paths of both the test gas is present on the tracks and, moreover, the operating frequency of the excitation laser is the same as the resonant frequency of any of the absorption lines of the test gas, it is characterized in that the test gas (1) is inside the resonance cavity (2) of the measuring laser, and the excitation laser beam (4) is brought pointwise, longitudinally or in area to the resonance cavity (2) of the measuring laser. The method of gas detection, in which the tested gas is illuminated with laser light with a frequency corresponding to any of the absorption lines of the tested gas, which causes its excitation and using the photothermal effect, is characterized in that the previously tested gas (1) is placed inside the resonance cavity (2 ) of the measuring laser, and after excitation of the gas (1) and induction of the photothermal effect, the optical path in the measuring laser and the frequency of its operation change, and then the frequency or change in the frequency of the measuring laser is measured, and then the concentration of the tested gas (1) is determined as proportional to the frequency change so measured by the formula or by reference to a calibration measurement made using a reference gas mixture of known concentration.
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów.The present invention relates to a laser gas detector and a gas detection method.
Z wynalazku CN20101278768 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje układ światłowodowego lasera z wewnątrzwnękową komórką absorpcyjną. Laser światłowodowy stymulowany jest do emitowania długości fali determinowanej charakterystyką siatki Bragga. Długość fali przestrajana jest przez maksimum linii absorpcyjnej gazu poprzez zmianę napięcia na pieozelemencie, który fizycznie wydłuża siatkę Bragga. Układ wymaga stosowania piezoceramicznych elementów przestrajających siatkę Bragga. Umożliwia wyłącznie detekcję gazów posiadających widma absorpcyjne w paśmie pracy lasera Erbowego ~1.5 um.From the invention CN20101278768 there is known a solution which uses a fiber laser system with an intracaval absorption cell. The fiber laser is stimulated to emit a wavelength determined by the characteristics of the Bragg grating. The wavelength is tuned by the maximum of the gas absorption line by changing the voltage on the pieo element which physically lengthens the Bragg grating. The system requires the use of piezoceramic elements that tune the Bragg mesh. It enables only the detection of gases with absorption spectra in the operating band of the Erb laser ~ 1.5 um.
Z opisu US2002197708 jest znany system i sposób monitorowania stężenia medium w co najmniej jednym pojemniku z zastosowaniem spektroskopii fototermicznej. Medium może być gazem, takim jak tlen lub dwutlenek węgla, ciałem stałym lub cieczą. System i metoda wykorzystuje urządzenie emitujące energię, takie jak laser, które emituje pierwszy sygnał energetyczny w kierunku pojemnika z medium. Pierwszy sygnał energii ma długość fali, która jest zasadniczo równa długości fali, przy której medium absorbuje pierwszy sygnał energii, tak że absorpcja pierwszego sygnału energii zmienia współczynnik załamania medium. System i metoda również wykorzystuje drugie urządzenie emitujące energię, przystosowane do emitowania drugiego sygnału energetycznego w kierunku pojemnika z medium, podczas gdy współczynnik załamania części jest zmieniany przez pierwszy sygnał energetyczny, oraz detektor, przystosowany do wykrywania części drugiego sygnału energetycznego, który przechodzi przez medium. Wraz ze wzrostem stężenia medium zmienia się współczynnik refrakcji, przez co zmienia się intensywność drugiego sygnału energetycznego co jest przedmiotem detekcji.From US2002197708 there is known a system and method for monitoring the concentration of a medium in at least one container using photothermal spectroscopy. The medium may be a gas, such as oxygen or carbon dioxide, a solid or a liquid. The system and method uses an energy emitting device, such as a laser, that emits a first energy signal towards the medium container. The first energy signal has a wavelength that is substantially equal to the wavelength at which the medium absorbs the first energy signal, such that absorption of the first energy signal changes the refractive index of the medium. The system and method also uses a second energy emitting device adapted to emit a second energy signal towards the medium container while the refractive index of the portion is changed by the first energy signal, and a detector adapted to detect a portion of the second energy signal that passes through the medium. As the concentration of the medium increases, the refractive index changes, which changes the intensity of the second energy signal, which is the subject of detection.
Z dokumentu US7245380B2 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje efekt fototermalny/fotoakustyczny. W wyniku oświetlania gazu wiązką lasera, którego częstotliwość optyczna pokrywa się z częstotliwościami widm absorpcyjnych mierzonych gazów, wyindukowane zostają lokalne zmiany temperatury gazu - a co za tym idzie ciśnienia. Poprzez modulowanie amplitudowe lub częstotliwościowe wiązki lasera indukowane zmiany ciśnienia przyjmować mogą charakter periodycznych fal akustycznych. W opisywanym wynalazku fale akustyczne wykrywane są poprzez zastosowanie w układzie kwarcowego kamertonu, pomiędzy którego ramionami znajduje się gaz oraz transmitowana jest wiązka lasera wzbudzającego. Zastosowany kamerton posiada charakterystyczną dla siebie częstotliwość rezonansową - zwykle około 32 kHz. To pociąga za sobą konieczność stosowania wyłącznie ściśle określonych częstotliwości modulujących wiązkę lasera wzbudzającego gaz. Ponadto, czułość detektora zależy w znacznym stopniu od ciśnienia mierzonego gazu. Z tego powodu układy tego typu pracują praktycznie zawsze przy niskich ciśnieniach rzędu <100 Tora, nigdy w ciśnieniu atmosferycznym. Zastosowanie małych kamertonów wymaga ponadto odpowiednie formowanie wiązki lasera wzbudzającego (ogniskowanie) co w przypadku laserów o znacznych mocach jest kłopotliwe.From the document US7245380B2 there is known a solution that uses a photo-thermal / photoacoustic effect. As a result of illuminating the gas with a laser beam, the optical frequency of which coincides with the frequencies of the absorption spectra of the measured gases, local changes in gas temperature - and thus pressure - are induced. Due to the amplitude or frequency modulation of the laser beam, the induced pressure changes may assume the character of periodic acoustic waves. In the described invention, acoustic waves are detected by the use of a quartz tuning fork in the system, between the arms of which there is a gas and the excitation laser beam is transmitted. The tuning fork used has a characteristic resonance frequency - usually around 32 kHz. This entails the need to use only strictly defined frequencies modulating the gas excitation laser beam. Moreover, the sensitivity of the detector depends to a large extent on the pressure of the measured gas. For this reason, systems of this type are practically always operated at low pressures of <100 Torr, never at atmospheric pressure. The use of small tuning forks also requires proper shaping of the excitation laser beam (focusing), which is troublesome in the case of lasers with high powers.
Problemem technicznym, który nie został dotąd rozwiązany jest zwiększenie czułości pomiaru, przy wyeliminowaniu szeregu dodatkowych elementów optycznych, jakich wymagają znane układy interferometryczne, eliminacji skomplikowanych układów fazoczułych czy uniezależnieniu dokładności pomiaru od ciśnienia mierzonego gazu.A technical problem that has not been solved so far is increasing the sensitivity of the measurement, eliminating a number of additional optical elements that are required by known interferometric systems, eliminating complex phase-sensitive systems or making the measurement accuracy independent of the pressure of the gas being measured.
Istota laserowego detektora gazów, według wynalazku, który zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający i tor pomiarowy, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy, oraz na końcu toru układ do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, zaś na części wspólnej dróg optycznych obu torów znajduje się badany gaz, a ponadto częstotliwość pracy lasera wzbudzającego jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa którejkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, polega na tym, że badany gaz znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego, a wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona punktowo, wzdłużnie bądź obszarowo do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego.The essence of the laser gas detector according to the invention, which comprises laser optical paths: an excitation path and a measurement path, the excitation path containing the excitation laser, while the measurement path includes the measurement laser, and at the end of the path, a system for measuring the frequency of the measurement laser, the tested gas is located in the common optical paths of both paths, and the excitation laser operating frequency is the same as the resonant frequency of any of the absorption lines of the tested gas, it is based on the fact that the tested gas is inside the resonance cavity of the measuring laser, and the excitation laser beam is guided pointwise, longitudinally or regionally to the resonance cavity of the measuring laser.
Korzystnie, badany gaz wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego znajduje się w przestrzeni ograniczonej ściankami transparentnymi dla częstotliwości pracy lasera pomiarowego i wzbudzającego.Preferably, the tested gas inside the resonance cavity of the measuring laser is in the space limited by transparent walls for the operating frequency of the measuring and excitation laser.
Korzystnie, badany gaz wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego znajduje się w szczelinie powietrznej.Preferably, the test gas inside the resonance cavity of the measurement laser is in an air gap.
Korzystnie, zbiór częstotliwości pracy lasera pomiarowego jest rozłączny ze zbiorem częstotliwości rezonansowych badanego gazu.Preferably, the set of operating frequencies of the measurement laser is separate from the set of resonant frequencies of the gas under test.
Korzystnie, tor wzbudzający i tor pomiarowy przecinają się prostopadle.Preferably, the excitation path and the measurement path intersect perpendicularly.
PL 235 262 B1PL 235 262 B1
W wariancie wynalazku, kierunki propagacji w torze wzbudzającym i torze pomiarowym są zgodne.In a variant of the invention, the directions of propagation in the excitation path and the measurement path correspond.
Korzystnie, do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego podłączony jest układ pompujący gazu.Preferably, a gas pumping system is connected to the resonance cavity of the measurement laser.
Korzystnie, do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego doprowadzone są analogiczne niezależne tory wzbudzające do detekcji różnych gazów.Preferably, analogous independent excitation paths for detecting different gases are connected to the resonance cavity of the measuring laser.
W wariancie wynalazku, laser pomiarowy jest dwuwiązkowy i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące, dwuwiązkowe medium wzmacniające a obie wiązki lasera pomiarowego są odseparowane przestrzennie, równolegle wobec siebie i połączone ponownie we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.In a variant of the invention, the measuring laser is double-beam and is equipped with two independent pumping beams, a double-beam amplifying medium, and both beams of the measuring laser are spatially separated, parallel to each other and connected again into a common beam by means of optics connecting both beams directly in front of the measuring system operating frequency of the measuring laser, the excitation laser beam being led to one of the measuring beams so divided.
W kolejnym wariancie wynalazku, laser pomiarowy jednowiązkowy pomiędzy medium wzmacniającym a wnęką rezonansową posiada element rozdzielający polaryzację na dwie wiązki o polaryzacji ortogonalnej a jednocześnie obie wiązki lasera pomiarowego są rozdzielone przestrzennie, równoległe wobec siebie i ponownie połączone we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.In a further variant of the invention, the single-beam measuring laser between the amplifying medium and the resonant cavity has an element that separates the polarization into two beams of orthogonal polarization, and at the same time both beams of the measuring laser are spatially separated, parallel to each other and re-connected to a common beam by means of optics connecting the two beams directly before the system for measuring the frequency of the measuring laser, the excitation laser beam is led to one of the measuring beams so divided.
W kolejnym wariancie wynalazku, laser pomiarowy jest czterowiązkowy, i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące, dwuwiązkowe medium wzmacniające, następnie element rozdzielający polaryzację na dwie pary wiązek o ortogonalnych polaryzacjach i równocześnie rozdzielający wiązki przestrzennie, po czym wszystkie cztery wiązki lasera pomiarowego są równoległe wobec siebie i połączone ponownie za pomocą elementów optyki łączących wiązki laserowe bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.In a further variant of the invention, the measuring laser is four-beam, and is equipped with two independent pumping beams, a double-beam amplifying medium, then a device that separates the polarization into two pairs of beams with orthogonal polarizations and simultaneously separates the beams spatially, whereby all four beams of the measuring laser are parallel to each other and connected again by means of optics connecting the laser beams directly in front of the system for measuring the operating frequency of the measuring laser, the excitation laser beam being led to one of the measuring beams so separated.
Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz oświetla się światłem laserowym o częstotliwości zgodnej z którąkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, co wywołuje jego wzbudzenie i wykorzystujący efekt fototermiczny, polega na tym, że uprzednio badany gaz umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego, a po wzbudzeniu gazu i wyindukowaniu efektu fototermicznego zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru (w1) albo poprzez odniesienie do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu o znanej koncentracji.The method of gas detection, in which the tested gas is illuminated by laser light with a frequency consistent with any of the absorption lines of the tested gas, which causes its excitation and uses the photothermal effect, consists in placing the previously tested gas inside the resonance cavity of the measuring laser, and then After the gas is excited and the photothermal effect is induced, the optical path in the measuring laser and the frequency of its operation change, and then the frequency or frequency change of the measuring laser is measured, and the concentration of the tested gas is determined as proportional to the frequency change measured in this way, according to the formula (w1) or by reference to a calibration measurement made with a reference gas mixture of known concentration.
W wariancie wynalazku wiązkę lasera pomiarowego przed przejściem przez wnękę rezonansową rozseparowuje się przestrzennie na dwie równoległe wiązki, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.In a variant of the invention, before passing through the resonance cavity, the measuring laser beam is spatially separated into two parallel beams, and the excitation beam is directed to one of such separated measuring beams, and after the photothermal effect is induced, both separated measuring beams are distilled together immediately before the frequency measurement.
W wariancie wynalazku wiązkę lasera pomiarowego przed przejściem przez wnękę rezonansową rozseparowuje się polaryzacyjnie i jednocześnie przestrzennie na dwie równoległe wiązki o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.In a variant of the invention, before passing through the resonance cavity, the measuring laser beam is polarized and spatially separated into two parallel beams with orthogonal polarizations, and the excitation beam is directed to one of such separated measuring beams, and after the photothermal effect is induced, both separated measuring beams become distorted from with each other immediately before measuring the frequency.
W kolejnym wariancie, wiązkę lasera pomiarowego rozseparowuje się przestrzennie i polaryzacyjnie na dwie pary równoległych wiązek o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego wszystkie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.In another variant, the measuring laser beam is spatially and polarized separated into two pairs of parallel beams with orthogonal polarizations, and the excitation beam is directed to one of such separated measuring beams, and after excitation of the photothermal effect, all separated measuring beams are distilled with each other immediately before the measurement frequency.
Zaletami rozwiązania są następujące cechy: konstrukcja jest uniwersalna - zjawisko fizyczne będące podstawą metody detekcji (indukowana fototermicznie zmiana współczynnika załamania) jest obserwowalne dla każdego gazu wzbudzanego optycznie (rezonansowo). Pomiar danego gazu wymaga jedynie zastosowania odpowiedniego źródła wzbudzającego gaz, w postaci lasera wzbudzającego, pozostałe elementy konstrukcji pozostają bez zmian. Ponadto konstrukcja sensora nie wyklucza możliwości jednoczesnego pomiaru wielu gazów; jedynym warunkiem jest oświetlenie mierzonego gazu kilkoma laserami wzbudzającymi. Detekcja wybranych molekuł może obywać się w paśmie podczerwieni, gdzie gazy posiadają silne linie absorpcyjne. Jednocześnie, pomiar w proponowanej konfiThe advantages of the solution include the following features: the design is universal - the physical phenomenon underlying the detection method (photothermally induced refractive index change) is observable for each optically excited (resonant) gas. Measurement of a given gas requires only the use of an appropriate gas inducing source, in the form of an excitation laser, other elements of the structure remain unchanged. Moreover, the design of the sensor does not exclude the possibility of measuring many gases simultaneously; the only condition is to illuminate the measured gas with several excitation lasers. Detection of selected molecules can take place in the infrared band, where the gases have strong absorption lines. At the same time, the measurement in the proposed conf
PL 235 262 B1 guracji nie wymaga stosowania w układzie bardzo drogich detektorów pracujących w tym zakresie spektralnym (2 - 10 pm). Do zalet niewątpliwie należą też monolityczność i kompaktowe rozmiary. W metodzie QEPAS (quartz enhanced photoacoustic spectroscopy, oferującej porównywalne czułości pomiarów koncentracji) dobroć rezonatora zależy od ciśnienia mierzonego gazu. Proponowany układ nie wprowadza ograniczenia co do ciśnienia mierzonego gazu; umożliwia pomiar gazu w ciśnieniu atmosferycznym. Dodatkowo detektor nie posiada ograniczeń co do częstotliwości modulacji lasera pomiarowego, tak jak w przypadku metody QEPAS. Sposób analizy fototermiczne indukowanej zmiany częstotliwości pracy jednego z laserów przy wykorzystaniu zjawiska zdudniania wiązek oferuje znacznie większą rozdzielczość pomiarową, w porównaniu do układu gdzie zmiana częstotliwości laser pomiarowego jest mierzona bezpośrednio (np. przy wykorzystaniu analizatora widma optycznego).In order to achieve this, it does not require the use of very expensive detectors operating in this spectral range (2 - 10 pm). The advantages are undoubtedly also monolithic and compact size. In the QEPAS method (quartz enhanced photoacoustic spectroscopy, offering comparable sensitivity of concentration measurements), the goodness of the resonator depends on the pressure of the measured gas. The proposed system does not limit the pressure of the measured gas; enables gas measurement at atmospheric pressure. In addition, the detector has no restrictions as to the frequency of the measurement laser modulation, as in the case of the QEPAS method. The method of photothermal analysis of the induced change in the frequency of one of the lasers using the phenomenon of beams beat offers a much higher measurement resolution, compared to the system where the change in the frequency of the measuring laser is measured directly (e.g. using an optical spectrum analyzer).
Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów są bliżej przedstawione w oparciu o wzór w1, według którego po dokonaniu pomiaru częstotliwości i przy znajomości standardowych, znanych parametrów oczekiwanego gazu wyznacza się jego koncentrację oraz rysunek, którego fig. 1 przedstawia wariant podstawowy detektora z laserem jednowiązkowym, fig. 2 przedstawia wariant detektora w konfiguracji z wieloma laserami wzbudzającymi, umożliwiający pomiar wielu niezależnych gazów, fig. 3 przedstawia wariant detektora w konfiguracji dwuwiązkowej, fig. 4 przedstawia wariant detektora w konfiguracji dwuwiązkowej przy wykorzystaniu polaryzacyjnego rozseparowania dwóch wiązek pomiarowych, fig. 5 przedstawia wariant detektora w konfiguracji wykorzystującej element światłodzielący w celu uzyskania dwóch wiązek pomiarowych, fig. 6 przedstawia wariant detektora w konfiguracji czterowiązkowej, fig. 7 przedstawia wariant detektora ze wzbudzeniem gazu wzdłużnym do propagacji wiązki lasera pomiarowego.The laser gas detector and the method of gas detection are presented in more detail on the basis of the formula w1, according to which, after measuring the frequency and knowing the standard, known parameters of the expected gas, its concentration is determined and the drawing, Fig. 1 of which shows the basic variant of the detector with a single-beam laser, Fig. 2 shows a variant of the detector in a configuration with multiple excitation lasers, allowing the measurement of multiple independent gases, Fig. 3 shows a variant of the detector in a two-beam configuration, Fig. 4 shows a variant of the detector in a two-beam configuration, using polarization separation of two measurement beams, Fig. 5 shows a variant of the detector in a configuration using a light splitter to obtain two measurement beams, Fig. 6 shows a variant of a detector in a four-beam configuration, Fig. 7 shows a variant of the detector with longitudinal gas excitation for propagation of the measuring laser beam.
P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1
Laserowy detektor gazów zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający 11 i tor pomiarowy 22, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający 4, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy 3 oraz na końcu toru analizator widma optycznego 8 Yokogawa, AQ6370B. Badany gaz 1 znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3, a wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona punktowo do wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3. Laserem pomiarowym 3 jest laser na ciele stałym pracujący na długości fali 1064 nm. Częstotliwość pracy lasera wzbudzającego 4 jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa linii absorpcyjnej badanego gazu, którym jest CO2 i wynosi 2,0025 pm. Badany gaz 1 wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 znajduje się w pojemniku 5 o ściankach przeźroczystych dla częstotliwości pracy lasera pomiarowego 3 i wzbudzającego 4, wykonanych ze szkła BK7. Tor wzbudzający 11 i tor pomiarowy 22 przecinają się prostopadle. Do pojemnika 5 znajdującego się we wnęce rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 podłączony jest układ pompujący badanego gazu 1 w postaci pompy.The laser gas detector includes laser optical paths: excitation path 11 and measurement path 22, the excitation path includes the excitation laser 4, the measurement path includes measurement laser 3 and, at the end of the path, optical spectrum analyzer 8 Yokogawa, AQ6370B. The test gas 1 is inside the resonance cavity 2 of the measurement laser 3, and the beam of the excitation laser 4 is directed pointwise to the resonance cavity 2 of the measurement laser 3. The measurement laser 3 is a solid-state laser operating at a wavelength of 1064 nm. The operating frequency of the excitation laser 4 is the same as the resonance frequency of the absorption line of the tested gas, which is CO2, and amounts to 2.0025 pm. The tested gas 1 inside the resonance cavity 2 of the measuring laser 3 is placed in a container 5 with walls transparent for the operating frequency of the measuring laser 3 and the excitation laser 4, made of BK7 glass. Drive 11 and measurement path 22 intersect perpendicularly. A pumping system 1 in the form of a pump is connected to the container 5 located in the resonance cavity 2 of the measuring laser 3.
P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2
Detektor jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że pojemnik 5 jest wykonany z CaF2, ponadto wiązki toru wzbudzającego 11 do wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 doprowadzone są obszarowo, analogiczne, niezależne tory wzbudzające 33 do detekcji różnych gazów: tor do detekcji gazów NLL, CTL, NO, o parametrach: długość fali dla CH4 3,33 pm, długość fali dla NO 5,25 pm oraz dla NH3 długość fali 6,0 pm.Detector as in example 1, with the difference that the container 5 is made of CaF2, moreover, the beams of the excitation path 11 to the resonance cavity 2 of the measuring laser 3 are led in area, analogous, independent excitation paths 33 for the detection of various gases: the path for the detection of NLL gases , CTL, NO, with the following parameters: CH4 wavelength 3.33 pm, NO wavelength 5.25 pm and NH3 wavelength 6.0 pm.
P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3
Detektor jak w poprzednich przykładach, z tym, że laser pomiarowy 3 jest dwuwiązkowy i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące 3a, dwuwiązkowe medium wzmacniające 3b a obie wiązki laserowe 3c toru pomiarowego są odseparowane przestrzennie, przez co wiązki biegną równoległe wobec siebie i połączone są ponownie za pomocą zwierciadła 7c i kostki światłodzielącej 7d bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek 3c lasera pomiarowego 3.The detector as in the previous examples, but the measuring laser 3 is double-beam and is equipped with two independent pumping beams 3a, a double-beam amplifying medium 3b and both laser beams 3c of the measuring path are spatially separated, so that the beams run parallel to each other and are connected again by means of the mirror 7c and the light splitting cube 7d directly in front of the operating frequency measuring system 8 of the measuring laser 3. The beam of the excitation laser 4 is led to only one of the beams 3c of the measuring laser 3 thus separated.
P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4
Detektor jak w przykładach 1 lub 2, z tą różnicą, że laser pomiarowy 3 jednowiązkowy pomiędzy medium wzmacniającym 3b a wnęką rezonansową 2 posiada element rozdzielający polaryzację 3d w postaci elementu dwójłomnego na dwie wiązki 3c o ortogonalnych polaryzacjach, pionowej i poziomej, a jednocześnie rozseparowane przestrzennie, biegnące równolegle, przy czym wiązki są ponownie połączone za pomocą elementów optyki 7 łączących wiązki laserowe, to jest: zwierciadła 7c oraz kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 laseraDetector as in examples 1 or 2, with the difference that the single-beam measuring laser 3 between the amplifying medium 3b and the resonance cavity 2 has an element separating the 3d polarization in the form of a birefringent element into two beams 3c with orthogonal polarizations, vertical and horizontal, and at the same time spatially separated running in parallel, the beams being reconnected by means of optics 7 connecting the laser beams, i.e .: mirrors 7c and light splitting cube 7d, directly in front of the laser frequency measuring system 8
PL 235 262 Β1 pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek 3c lasera pomiarowego 3.PL 235 262 Β1 measuring 3. The excitation laser beam 4 is led to only one of the thus separated beams 3c of the measuring laser 3.
Przykład 5Example 5
Detektor jak w przykładzie 4, z tą różnicą, że jedna z wiązek 3c lasera pomiarowego 3 po rozseparowaniu w pierwszej kostce światłodzielącej 7a ma na swojej drodze optycznej pierwsze zwierciadło 7b zwierciadło umieszczone na zewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 umieszczone pod kątem 45 stopni do kierunku biegu wiązki 3c, przez co rozseparowane wiązki biegną równolegle, a następnie drugie zwierciadło 7c, umieszczone pod kątem 45 stopni do biegu wiązki, po czym wiązka jest doprowadzona do drugiej kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego.The detector as in example 4, with the difference that, after being separated in the first light-splitting cube 7a, one of the beams 3c of the measuring laser 3 has in its optical path the first mirror 7b located outside the resonance cavity 2 of the measuring laser 3 at an angle of 45 degrees to the direction beam 3c, so that the separated beams run parallel, and then the second mirror 7c, placed at an angle of 45 degrees to the beam path, and then the beam is led to the second light splitting cube 7d, directly in front of the system for measuring the operating frequency 8 of the measuring laser.
Przykład 6Example 6
Detektor jak w przykładach 1 lub 2, z tą różnicą, że laser pomiarowy 3 jest czterowiązkowy, i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące 3a, dwuwiązkowe medium wzmacniające 3b, następnie element rozdzielający polaryzację 3d na dwie pary wiązek o ortogonalnych polaryzacjach a jednocześnie przestrzennie w postaci kryształu dwójłomnego YVO4. Tak rozseparowane wiązki są równoległe wobec siebie i połączone ponownie za pomocą elementów optyki 7 łączących wiązki laserowe w postaci 7e zwierciadeł oraz kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek lasera pomiarowego 3.Detector as in examples 1 or 2, with the difference that the measuring laser 3 is four-beam, and is equipped with two independent pumping beams 3a, double-beam amplifying medium 3b, then an element separating the polarization 3d into two pairs of orthogonal polarization beams and at the same time spatially in YVO4 birefringent crystal form. The separated beams are parallel to each other and are connected again by means of optics elements 7 connecting the laser beams in the form of mirrors 7e and the splitting cube 7d, directly in front of the system for measuring the operating frequency 8 of the measuring laser 3. The excitation laser beam 4 is led to only one of the separated beams of the measuring laser 3.
Przykład 7Example 7
Detektor jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że tor wzbudzający 11 jest przeciwbieżny do toru pomiarowego 22, a wiązka lasera wzbudzającego 4 w obszar wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 jest doprowadzona wzdłużnie. Badany gaz 1 wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 znajduje się w szczelinie powietrznej 5.Detector as in example 1, with the difference that the excitation path 11 is opposite to the measurement path 22, and the beam of the excitation laser 4 in the area of the resonant cavity 2 of the measurement laser 3 is led longitudinally. The test gas 1 inside the resonance cavity 2 of the measuring laser 3 is in the air gap 5.
Przykład 8Example 8
Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz 1, umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3, oświetla się światłem laserowym o długości fali 2,03 μπι czyli zgodnej z linią absorpcyjną badanego gazu CO2, co wywołuje jego wzbudzenie i generację efektu fototermicznego, po czym zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym 3 oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu 1 jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru dv q c η — 1 PinamN dvtot ~ d-Vn ~ ~ ~ 7 7? ’ Lw ' , o on 2.·ΙΡ0 To 2/pCpiicP gdzie:The method of gas detection in which the tested gas 1 is placed inside the resonance cavity 2 of the measuring laser 3, is illuminated by laser light with a wavelength of 2.03 μπι, i.e. in line with the absorption line of the tested CO2 gas, which causes its excitation and generation of a photothermal effect after what changes the optical path in the measuring laser 3 and the frequency of its operation, and then the frequency or frequency change of the measuring laser is measured, and then the concentration of the tested gas 1 is determined as proportional to the frequency change measured in this way, according to the formula dv qc η - 1 P in a m N dv to t ~ dV n ~ ~ ~ 7 7? ' L w', o on 2. ΙΡ 0 T o 2 / pCpiicP where:
Bn — moc lasera wzbudzającego gazBn - gas excitation laser power
CTm - przekrój czynny analizowanej linii absorpcyjnej mierzonego gazu p - gęstość gazuCT m - cross section of the analyzed absorption line of the measured gas p - gas density
Cp - pojemność cieplna gazu a - promień wiązki lasera f- częstotliwość modulacji lasera Lw- droga interakcji wiązki pomiarowej z wzbudzonym gazem n - współczynnik załamania mierzonego gazu dn - zmiana współczynnika załamania mierzonego gazu w wyniku efektu fototermicznego Lo - długość optyczna rezonatora lasera pomiarowego c - prędkość światła q - rząd modu podłużnego laseraC p - gas heat capacity a - laser beam radius f- laser modulation frequency Lw - interaction path of the measuring beam with the excited gas n - refractive index of the measured gas dn - change in the refractive index of the measured gas as a result of the photothermal effect Lo - optical length of the measuring laser resonator c - speed of light q - laser longitudinal mode order
To - temperatura otoczeniaIt - ambient temperature
N - liczba molowa mierzonego gazuN - molar number of the measured gas
Dla przypadku opisywanego niniejszym przykładem stałe niezbędne do obliczenia indukowanej zmiany częstotliwości pracy lasera przedstawione zostały poniżej. Wartości stałych gazu wyznaczono dla koncentracji równej 1000 ppm CO2 w N2.For the case described in this example, the constants necessary to calculate the induced laser frequency change are presented below. The gas constant values were determined for a concentration equal to 1000 ppm CO2 in N2.
PL 235 262 B1PL 235 262 B1
Pin - moc lasera wzbudzającego gaz = 100 mW om - przekrój czynny analizowanej linii absorpcyjnej mierzonego gazu = 4,14 e-24 p - gęstość gazu = 1,842 kg/m3 Pin - power of the laser gas excitation = 100 mW om - the cross-section of the analyzed absorption line of the measured gas = 4.14 E-24 p - gas density = 1.842 kg / m 3
Cp - pojemność cieplna gazu - 763 J/kg*K a - promień wiązki lasera - 5 e-4 m f - częstotliwość modulacji lasera 1000 HzCp - gas heat capacity - 763 J / kg * K a - laser beam radius - 5 e-4 m f - laser modulation frequency 1000 Hz
Lw - droga interakcji wiązki pomiarowej z wzbudzonym gazem - 1e-4 m n - współczynnik załamania mierzonego gazu - 1,00044 dn - zmiana współczynnika załamania mierzonego gazu w wyniku efektu fototermicznego Lo - długość optyczna rezonatora lasera pomiarowego - 20e-3 m c - prędkość światła - 299 792 458 m/s q - rząd modu podłużnego lasera - 49000Lw - interaction path of the measuring beam with the induced gas - 1e-4 mn - refractive index of the measured gas - 1,00044 dn - change in the refractive index of the measured gas as a result of the photothermal effect Lo - optical length of the measuring laser resonator - 20e-3 mc - speed of light - 299 792 458 m / sq - longitudinal laser mode row - 49,000
To - temperatura otoczenia - 298 KIt - ambient temperature - 298 K
N - liczba molowa mierzonego gazu - 6,02 * 10Λ23N - mole number of the measured gas - 6.02 * 10 Λ 23
Dla powyższych wartości zmiana częstotliwości pracy lasera wynosi ~306 kHz.For the above values, the change in laser operating frequency is ~ 306 kHz.
P r z y k ł a d 9P r z k ł a d 9
Sposób jak w przykładzie 7, z tym że określa się koncentrację badanego gazu 1 w odniesieniu do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu (o znanej koncentracji).Method as in Example 7, except that the concentration of test gas 1 is determined in relation to a calibration measurement made with a reference gas mixture (with known concentration).
P r z y k ł a d 10P r z k ł a d 10
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 przed przejściem przez wnękę rezonansową 2 rozseparowuje się przestrzennie na dwie równoległe wiązki 3c, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości. Zdudnianie wiązki polega na kolineamym doprowadzeniu obu wiązek laserowych 3c do struktury światłoczułej urządzenia do mierzenia częstotliwości 8 czułego na zakres spektralny, w którym pracują lasery pomiarowe, w tym przypadku 1064 nm. W wyniku zdudnienia dwóch wiązek laserowych (pracy ciągłej, o różnych częstotliwościach) na wspólnej strukturze fotoczułej, sygnałem elektrycznym wyindukowanym na wyjściu fotodiody jest przebieg sinusoidalny o częstotliwości równej różnicy częstotliwości wiązek zdudnianych.The method is as in example 7 or 8, except that the beam of the measuring laser 3, before passing through the resonance cavity 2, is spatially separated into two parallel beams 3c, and the excitation beam 4 is directed to one of such separated measuring beams, and after excitation of the photothermal effect both separate measuring beams are beaten together immediately before measuring the frequency. Beam rumbling consists in applying the two laser beams 3c to the photosensitive structure of the frequency measuring device 8, which is sensitive to the spectral range in which the measuring lasers operate, in this case 1064 nm. As a result of the beat of two laser beams (continuous operation, of different frequencies) on a common photosensitive structure, the electric signal induced at the output of the photodiode is a sinusoidal wave with a frequency equal to the frequency difference of the beat beams.
P r z y k ł a d 11P r x l a d 11
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 przed przejściem przez wnękę rezonansową 2 rozseparowuje się polaryzacyjnie i jednocześnie przestrzennie na dwie równoległe wiązki o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych 3c, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe 3c zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.The method is the same as in example 7 or 8, but the measuring laser beam 3, before passing through the resonance cavity 2, is polarized and spatially separated into two parallel beams with orthogonal polarizations, and the excitation beam 4 is directed to one of such separated measuring beams 3c after excitation of the photothermal effect, both separated measuring beams 3c are beaten together immediately before measuring the frequency.
P r z y k ł a d 12P r z k ł a d 12
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 rozseparowuje się przestrzennie i polaryzacyjnie na dwie pary równoległych wiązek 3c o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych 3c, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego wszystkie rozdzielone wiązki pomiarowe 3c zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.The method is the same as in example 7 or 8, except that the measuring laser beam 3 is spatially and polarized separated into two pairs of parallel beams 3c with orthogonal polarizations, and the excitation beam 4 is directed to one of such separated measuring beams 3c, after inducing the effect of the photothermal system, all the separated measuring beams 3c are beat together immediately before the frequency measurement.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laser gas detector and gas detection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laser gas detector and gas detection method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL426146A1 PL426146A1 (en) | 2020-01-02 |
| PL235262B1 true PL235262B1 (en) | 2020-06-15 |
Family
ID=69160845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (en) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laser gas detector and gas detection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL235262B1 (en) |
-
2018
- 2018-06-29 PL PL426146A patent/PL235262B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL426146A1 (en) | 2020-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10928313B2 (en) | Optical absorption spectroscopy based gas analyzer systems and methods | |
| RU2716146C1 (en) | Photothermal interferometric device and corresponding method | |
| US9759654B2 (en) | Cavity enhanced laser based isotopic gas analyzer | |
| US5528040A (en) | Ring-down cavity spectroscopy cell using continuous wave excitation for trace species detection | |
| Koskinen et al. | Cantilever enhanced photoacoustic detection of carbon dioxide using a tunable diode laser source | |
| US10514299B2 (en) | Multiple laser optical feedback assisted cavity enhanced absorption spectroscopy systems and methods | |
| Kasyutich et al. | Off-axis continuous-wave cavity-enhanced absorption spectroscopy of narrow-band and broadband absorbers using red diode lasers | |
| Dong et al. | Compact portable QEPAS multi-gas sensor | |
| US20170268930A1 (en) | Spectroscopic Apparatus and Method | |
| JPH07270308A (en) | Optical gas analyzer | |
| WO2021048967A1 (en) | Gas absorbance spectrum measurement device, frequency locking method, and gas absorbance spectrum measurement method | |
| PL235262B1 (en) | Laser gas detector and gas detection method | |
| CN115561195A (en) | Single-cavity double-comb light source and gas detection system based on same | |
| JPH03277945A (en) | Gas detecting apparatus | |
| Yang et al. | Detection of Dissolved Gas in Transformer Oil Based on All-Optical Photoacoustic Spectroscopy | |
| US9759655B2 (en) | Laser beam stop elements and spectroscopy systems including the same | |
| CN113281262A (en) | All-fiber double-gas synchronous detection photoacoustic spectroscopy system based on passive tuning fork and detection method thereof | |
| Wang et al. | Doubly resonant photoacoustic spectroscopy: ultra-high sensitivity meets ultra-wide dynamic range | |
| KR102340037B1 (en) | Apparatus and method for identifying for traces gases | |
| WO2016134407A1 (en) | Spectroscopic detection system and method | |
| Schilt et al. | Fibre-coupled photoacoustic sensor for sub-ppm methane monitoring | |
| Rosales-García et al. | High Sensitivity Detection using Intra-cavity Mode Beating | |
| JPS5947250B2 (en) | Gas concentration measuring device |