本發(fā)明涉及拉曼光譜探測(cè)裝置，特別涉及在采用多程池的情況下，一種(相干反思托克斯拉曼散射)CARS探測(cè)裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

相干反斯托克斯拉曼散射法(CARS)作為激光光譜診斷技術(shù)的一種，具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)換效率大于1％，因而靈敏度高；信號(hào)是相干光束，具有方向性，收集效率高，易于從其他光束中分離；信號(hào)產(chǎn)生于入射光頻率的高頻方向，不易受到熒光干擾。這些特點(diǎn)使其非常適合成為探測(cè)低濃度物質(zhì)的良好方法。

多程池利用光多次通過(guò)測(cè)量池能在一個(gè)緊湊的裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)有效的路程長(zhǎng)度。而且從光源射出的光被重復(fù)聚焦，目的是使長(zhǎng)距離傳輸后發(fā)散效應(yīng)最小化，發(fā)散效應(yīng)在非點(diǎn)狀光源和非理想準(zhǔn)直系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供了一種可調(diào)節(jié)聚焦次數(shù)的多程池CARS光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度氣體探測(cè)，實(shí)現(xiàn)氣體的快速在線檢測(cè)，并且提高了探測(cè)靈敏度。結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。

本發(fā)明的技術(shù)方案為一種可調(diào)節(jié)聚焦次數(shù)的多程池CARS探測(cè)氣體裝置，包括一個(gè)脈沖激光器、分束鏡、染料激光器、二相色鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、凹面反射鏡、第一打孔凹面反射鏡、第二打孔凹面反射鏡、濾波片和波長(zhǎng)分析儀；當(dāng)探測(cè)密閉體系或者流通管路中的氣體時(shí)，可能需要使用氣體池，氣體池為位于第一打孔凹面反射鏡和第二打孔凹面反射鏡之間，此氣體池可為中空結(jié)構(gòu)，兩側(cè)分別開(kāi)設(shè)透光孔，透光孔用窗口密封；氣體池壁面上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。所述氣體池通過(guò)進(jìn)氣口和出氣口連接在含有待測(cè)氣體通道上，氣體池的進(jìn)氣口與含待測(cè)氣體通道的上游相連通，氣體池的出氣口與含待測(cè)氣體通道的下游相連通。

脈沖激光器發(fā)出的光經(jīng)分束鏡分成兩束分別為主光和側(cè)光，主光和側(cè)光所走過(guò)的路線分別稱為主光路和側(cè)光路；所述主光進(jìn)入染料激光器入光口后，從染料激光器出光口發(fā)出染料光，染料光走過(guò)的路線稱為染料光路，染料光照射到二相色鏡上；所述側(cè)光路上設(shè)置有第一全反鏡和第二全反鏡，第一全反鏡和第二全反鏡放置在染料激光器的一側(cè)，并置于主光路和染料光路之外；側(cè)光經(jīng)過(guò)第一全反鏡和第二全反鏡反射后，照射到二相色鏡上，再經(jīng)二相色鏡反射后，與透過(guò)二相 色鏡的染料光重合，稱為混合光；混合光經(jīng)凹面反射鏡聚焦后從遠(yuǎn)離第二打孔凹面反射鏡的第一打孔凹面反射鏡一側(cè)、通過(guò)第一打孔凹面反射鏡上的孔進(jìn)入第二打孔凹面反射鏡和第一打孔凹面反射鏡之間，經(jīng)第二打孔凹面反射鏡和第一打孔凹面反射鏡來(lái)回反射后穿過(guò)第二打孔凹面反射鏡上的孔，再經(jīng)濾波片后進(jìn)入波長(zhǎng)分析儀。

凹面反射鏡的焦點(diǎn)落在第二打孔凹面反射鏡和第一打孔凹面反射鏡之間的反射區(qū)。

第一打孔凹面反射鏡和第二打孔凹面反射鏡上分別有一個(gè)通孔孔讓光束通過(guò)，泵浦光和染料光從第一打孔凹面反射鏡的通孔中進(jìn)入反射腔，并在第一打孔凹面反射鏡和第二打孔凹面反射鏡構(gòu)成的反射腔中多次來(lái)回反射聚焦，最后從第二打孔凹面反射鏡的圓孔中輸出。第一打孔凹面反射鏡和第二打孔凹面反射鏡構(gòu)成可以調(diào)節(jié)聚焦次數(shù)的近共心腔。

本發(fā)明所采用的波長(zhǎng)分析儀可以是但不僅限于光譜儀、單色儀或干涉儀。

混合光經(jīng)第三全反鏡和凹面反射鏡聚焦后從遠(yuǎn)離第二打孔凹面反射鏡的第一打孔凹面反射鏡一側(cè)、通過(guò)第一打孔凹面反射鏡上的孔進(jìn)入第二打孔凹面反射鏡和第一打孔凹面反射鏡之間。

本發(fā)明使用的染料激光器的泵浦光和出射光的單光子能量差范圍覆蓋待測(cè)氣體振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)差，調(diào)節(jié)脈沖激光器發(fā)出合適波長(zhǎng)的光，打開(kāi)脈沖激光器，調(diào)整第一打孔反射鏡和第二打孔反射鏡的位置和角度，調(diào)整在作用區(qū)的聚焦次數(shù)。通過(guò)波長(zhǎng)分析儀讀出測(cè)試值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明可調(diào)節(jié)聚焦次數(shù)的多程池CARS探測(cè)裝置示意圖。其中1-脈沖激光器，2-分束鏡，3-染料激光器，4-二相色鏡，5-第一全反鏡，6-第二全反鏡，7-第三全反鏡，8-凹面反射鏡，9-第一打孔凹面反射鏡，10-第二打孔凹面反射鏡，11-濾波片，12-波長(zhǎng)分析儀。

圖2為本發(fā)明可調(diào)節(jié)聚焦次數(shù)的多程池CARS探測(cè)裝置示意圖。其中1-脈沖激光器，2-分束鏡，3-染料激光器，4-二相色鏡，5-第一全反鏡，6-第二全反鏡，7-第三全反鏡，8-凹面反射鏡，9-第一打孔凹面反射鏡，10-透光孔，11-氣體池，12-第二打孔凹面反射鏡，13-濾波片，14-波長(zhǎng)分析儀。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖1說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例1：使用本發(fā)明測(cè)量空氣中氧氣濃度的具體實(shí)施方式。

詳見(jiàn)附圖1所示，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)包括兩部分：光譜儀部分：一個(gè)脈沖激光器1，一個(gè)分束鏡2，一個(gè)染料激光器3，一個(gè)二相色鏡4， 第一全反鏡5，第二全反鏡6，第三全反鏡7，凹面反射鏡8，濾波片11和波長(zhǎng)分析儀12；多程池部分：第一打孔凹面反射鏡9，第二打孔凹面反射鏡10。

第一打孔凹面反射鏡9和第二打孔凹面反射鏡10相對(duì)設(shè)置；

脈沖激光器1發(fā)出的光經(jīng)分束鏡2分成兩束，分別為主光和側(cè)光，主光和側(cè)光所走過(guò)的路線分別稱為主光路和側(cè)光路；所述主光進(jìn)入染料激光器3入光口后，從染料激光器3出光口發(fā)出染料光，染料光照射到二相色鏡4上，染料光走過(guò)的路線稱為染料光路；所述側(cè)光路上設(shè)置有第一全反鏡5和第二全反鏡6，第一全反鏡5和第二全反鏡6放置在染料激光器3的一側(cè)，并置于主光路和染料光路之外；側(cè)光經(jīng)過(guò)第一全反鏡5和第二全反鏡6反射后，照射到二相色鏡4上，再經(jīng)二相色鏡4反射后，與透過(guò)二相色鏡4的染料光重合，稱為混合光；混合光經(jīng)凹面反射鏡8聚焦后從遠(yuǎn)離第二打孔凹面反射鏡10的第一打孔凹面反射鏡9一側(cè)、通過(guò)第一打孔凹面反射鏡9上的孔進(jìn)入第二打孔凹面反射鏡10和第一打孔凹面反射鏡9之間，經(jīng)第二打孔凹面反射鏡10和第一打孔凹面反射鏡9來(lái)回反射后穿過(guò)第二打孔凹面反射鏡上10的孔，再經(jīng)濾波片11后進(jìn)入波長(zhǎng)分析儀12。

所述凹面反射鏡8的焦點(diǎn)落在第二打孔凹面反射鏡10和第一打孔凹面反射鏡9之間的反射區(qū)。

通過(guò)以下操作方式進(jìn)行測(cè)量，

1)設(shè)定染料激光器3，使染料激光器3的泵浦光和出射光的單光子能量差介于1450-1650cm^-1之間；

2)設(shè)定脈沖激光器1，使脈沖激光器1發(fā)出介于300nm-550nm波長(zhǎng)的光；

3)打開(kāi)脈沖激光器1；

4)通過(guò)波長(zhǎng)分析儀13讀出測(cè)試值。

具體步驟如下：

1)設(shè)定染料光器3的染料，用濃度1:1配置的羅丹明6G和羅丹明B混合溶液，使染料光器3輸出波長(zhǎng)范圍為576-582nm的染料光。

2)設(shè)定脈沖激光器1，使脈沖激光器1發(fā)出532nm波長(zhǎng)的激光，典型單脈沖激光能量為100mJ，其中70mJ泵浦染料光，產(chǎn)生20mJ的染料光；該染料光作為斯托克斯光與剩下的30mJ的532nm激光合束后入射到氣體池，并在氣體池中某一位置處聚焦，在該處與氧氣發(fā)生非線性作用，產(chǎn)生CARS信號(hào)光。

3)通過(guò)波長(zhǎng)分析儀12讀出測(cè)得的CARS光信號(hào)，獲得該位置處氧氣含量信息。

4)調(diào)整第一打孔反射鏡9和第二打孔反射鏡10的位置和角度，調(diào)整在氣體池11里的聚焦次數(shù)，提高CARS信號(hào)強(qiáng)度。

5)調(diào)整光路或氣體池位置，改變激光聚焦位置，重復(fù)1)‐4)過(guò)程，測(cè)得另一位置處的氧氣含量信息，經(jīng)不斷改變聚焦位置，可測(cè)得多處的氧氣信息。

脈沖激光器1為YAG激光器，輸出532nm的脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)分束鏡2后分為兩束，分別為主光和側(cè)光，其中主光中含有70％的能量，主光透過(guò)分束鏡2泵浦染料光器3，染料光器3輸出中心波長(zhǎng)580nm附近的脈沖激光，稱為染料光，該染料光的線寬及中心位置可選擇，典型值是中心波長(zhǎng)580nm，帶寬200cm^-1。分束鏡2分出的側(cè)光經(jīng)第一全反鏡5和第二全反鏡6后，照射到二相色鏡4靠近第三全反鏡7的一側(cè)后，和染料光重合。本實(shí)施例中，主光的532nm激光作為泵浦光，染料光作為氧氣的斯托克斯光，同時(shí)作為探測(cè)光，采用共線型相位匹配方式，側(cè)光的532nm激光和染料光都通過(guò)凹面反射鏡8在氣體池11內(nèi)待測(cè)點(diǎn)的位置聚焦，經(jīng)過(guò)多程池結(jié)構(gòu)中的第一打孔凹面反射鏡9和第二打孔凹面反射鏡10多次反射，在作用區(qū)聚焦多次，探測(cè)焦點(diǎn)及其附近區(qū)域的氧氣含量。泵浦光(532nm)和斯托克斯光及探測(cè)光(580nm)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生四波混頻現(xiàn)象，輸出一束新的波長(zhǎng)的CARS光。

CARS光產(chǎn)生原理為：能量為ω₁、ω₂的兩束激光入射到拉曼活性介質(zhì)上，當(dāng)ω₁-ω₂＝ΔE_v時(shí)(ΔE_v為拉曼特征譜線的光子能量，也是拉曼活性的振動(dòng)能級(jí)能量差)，就能產(chǎn)生共振增強(qiáng)效應(yīng)，激發(fā)出一束光子能量為ω₃＝2ω₁-ω₂的反斯托克斯光，該反斯托克斯光具有很好的方向性，相比自發(fā)拉曼光強(qiáng)度可以提高5到6個(gè)量級(jí)，因此更容易探測(cè)。

多程池的作用為：通過(guò)多次聚焦，增長(zhǎng)了泵浦光和染料光與氧氣的作用長(zhǎng)度，增強(qiáng)了CARS信號(hào)。

在作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的CARS光與泵浦光，斯托克斯光一起經(jīng)第二打孔凹面反射鏡10輸出，其中泵浦光和斯托克斯光被濾波片11濾除，為了提高濾光效率，減少泵浦光和斯托克斯光干擾可以在濾波片11后再加一個(gè)濾波片，CARS信號(hào)輸入到波長(zhǎng)分析儀中進(jìn)行分析。

光譜儀采集到的相干反斯托克斯拉曼光譜圖中包含氧氣的反斯托克斯特征峰，并能探測(cè)該相對(duì)關(guān)系隨時(shí)間的變化。另外還可以通過(guò)改變泵浦光和斯托克斯光的聚焦位置，來(lái)探測(cè)不同位置處氧氣含量信息，繪制氧氣的分布信息。

由于多程池的作用，多次聚焦使得泵浦光和染料光與氧氣的作用長(zhǎng)度增加，CARS信號(hào)強(qiáng)度比單次聚焦更強(qiáng)，可以提高探測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)低濃度氧氣的探測(cè)。

由于相干反斯托克斯拉曼散射的強(qiáng)度大，方向性好，因此可以實(shí)現(xiàn)單脈沖探測(cè)，在現(xiàn)有高重頻脈沖激光器條件下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體池 內(nèi)氧氣含量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)快速探測(cè)。

結(jié)合附圖2說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例2：使用本發(fā)明測(cè)量氣體池中¹Δ氧和氧氣濃度的具體實(shí)施方式。

詳見(jiàn)附圖2所示，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)包括兩部分：光譜儀部分：一個(gè)脈沖激光器1，一個(gè)分束鏡2，一個(gè)染料激光器3，一個(gè)二相色鏡4，第一全反鏡5，第二全反鏡6，第三全反鏡7，凹面反射鏡8，濾波片13，和波長(zhǎng)分析儀14；多程池部分：第一打孔凹面反射鏡9，透光孔10，氣體池11，第二打孔凹面反射鏡12。

第一打孔凹面反射鏡9和第二打孔凹面反射鏡12相對(duì)設(shè)置；

脈沖激光器1發(fā)出的光經(jīng)分束鏡2分成兩束，分別為主光和側(cè)光，主光和側(cè)光所走過(guò)的路線分別稱為主光路和側(cè)光路；所述主光進(jìn)入染料激光器3入光口后，從染料激光器3出光口發(fā)出染料光，染料光照射到二相色鏡4上，染料光走過(guò)的路線稱為染料光路；所述側(cè)光路上設(shè)置有第一全反鏡5和第二全反鏡6，第一全反鏡5和第二全反鏡6放置在染料激光器3的一側(cè)，并置于主光路和染料光路之外；側(cè)光經(jīng)過(guò)第一全反鏡5和第二全反鏡6反射后，照射到二相色鏡4上，再經(jīng)二相色鏡4反射后，與透過(guò)二相色鏡4的染料光重合，稱為混合光；混合光經(jīng)凹面反射鏡8聚焦后從遠(yuǎn)離第二打孔凹面反射鏡12的第一打孔凹面反射鏡9一側(cè)、通過(guò)第一打孔凹面反射鏡9上的孔進(jìn)入第二打孔凹面反射鏡12和第一打孔凹面反射鏡9之間，經(jīng)第二打孔凹面反射鏡12和第一打孔凹面反射鏡9來(lái)回反射后穿過(guò)第二打孔凹面反射鏡12上的孔，再經(jīng)濾波片13后進(jìn)入波長(zhǎng)分析儀14。

所述凹面反射鏡8的焦點(diǎn)落在第二打孔凹面反射鏡12和第一打孔凹面反射鏡9之間的反射區(qū)。

通過(guò)以下操作方式進(jìn)行測(cè)量，

1)通過(guò)氣體池11進(jìn)氣口向氣體池11內(nèi)充入含有¹Δ氧待測(cè)氣體；

2)設(shè)定染料激光器3，使染料激光器3的泵浦光和出射光的單光子能量差介于1450-1650cm^-1之間；

3)設(shè)定脈沖激光器1，使脈沖激光器1發(fā)出介于300nm-550nm波長(zhǎng)的光；

4)打開(kāi)脈沖激光器1；

5)通過(guò)波長(zhǎng)分析儀14讀出測(cè)試值。

具體步驟如下：

1)設(shè)定染料光器3的染料，用濃度1:1配置的羅丹明6G和羅丹明B混合溶液，使染料光器3輸出波長(zhǎng)范圍為576‐582nm的染料光。

2)設(shè)定脈沖激光器1，使脈沖激光器1發(fā)出532nm波長(zhǎng)的激光，典型單脈沖激光能量為100mJ，其中70mJ泵浦染料光，產(chǎn)生20mJ 的染料光；該染料光作為斯托克斯光與剩下的30mJ的532nm激光合束后入射到氣體池，并在氣體池中某一位置處聚焦，在該處與¹Δ氧發(fā)生非線性作用，產(chǎn)生CARS信號(hào)光。

3)通過(guò)波長(zhǎng)分析儀15讀出測(cè)得的CARS光信號(hào)，并與基態(tài)氧氣產(chǎn)生的CARS信號(hào)比較，獲得該位置處¹Δ氧含量信息。

4)調(diào)整第一打孔反射鏡9和第二打孔反射鏡12的位置和角度，調(diào)整在氣體池11里的聚焦次數(shù)，提高CARS信號(hào)強(qiáng)度。

5)調(diào)整光路或氣體池位置，改變激光聚焦位置，重復(fù)1)‐4)過(guò)程，測(cè)得另一位置處的¹Δ氧含量信息，經(jīng)不斷改變聚焦位置，可測(cè)得多處的¹Δ氧信息。

脈沖激光器1為YAG激光器，輸出532nm的脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)分束鏡2后分為兩束，分別為主光和側(cè)光，其中主光中含有70％的能量，主光透過(guò)分束鏡2泵浦染料光器3，染料光器3輸出中心波長(zhǎng)580nm附近的脈沖激光，稱為染料光，該染料光的線寬及中心位置可選擇，典型值是中心波長(zhǎng)580nm，帶寬200cm^-1。分束鏡2分出的側(cè)光經(jīng)第一全反鏡5和第二全反鏡6后，照射到二相色鏡4靠近第三全反鏡7的一側(cè)后，和染料光重合。本實(shí)施例中，主光的532nm激光作為泵浦光，染料光作為¹Δ氧和基態(tài)氧的斯托克斯光，同時(shí)作為探測(cè)光，采用共線型相位匹配方式，側(cè)光的532nm激光和染料光都通過(guò)凹面反射鏡8在氣體池11內(nèi)待測(cè)點(diǎn)的位置聚焦，經(jīng)過(guò)多程池結(jié)構(gòu)中的第一打孔凹面反射鏡9和第二打孔凹面反射鏡12多次反射，在氣體池11中聚焦多次，探測(cè)焦點(diǎn)及其附近區(qū)域的氧含量。泵浦光(532nm)和斯托克斯光及探測(cè)光(580nm)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生四波混頻現(xiàn)象，輸出一束新的波長(zhǎng)的CARS光。

CARS光產(chǎn)生原理為：能量為ω₁、ω₂的兩束激光入射到拉曼活性介質(zhì)上，當(dāng)ω₁-ω₂＝ΔE_v時(shí)(ΔE_v為拉曼特征譜線的光子能量，也是拉曼活性的振動(dòng)能級(jí)能量差)，就能產(chǎn)生共振增強(qiáng)效應(yīng)，激發(fā)出一束光子能量為ω₃＝2ω₁-ω₂的反斯托克斯光，該反斯托克斯光具有很好的方向性，相比自發(fā)拉曼光強(qiáng)度可以提高5到6個(gè)量級(jí)，因此更容易探測(cè)。

多程池的作用為：通過(guò)多次聚焦，增長(zhǎng)了泵浦光和染料光與¹Δ氧和基態(tài)氧的作用長(zhǎng)度，增強(qiáng)了CARS信號(hào)。

在氣體池內(nèi)產(chǎn)生的CARS光與泵浦光，斯托克斯光一起經(jīng)透光孔10輸出，其中泵浦光和斯托克斯光被濾波片13濾除，CARS信號(hào)輸入到波長(zhǎng)分析儀中進(jìn)行分析。

光譜儀采集到的相干反斯托克斯拉曼光譜圖中包含¹Δ氧和基態(tài)氧的反斯托克斯特征峰，可以反映¹Δ氧和基態(tài)氧的含量或濃度之間的相對(duì)關(guān)系，并能探測(cè)該相對(duì)關(guān)系隨時(shí)間的變化，在總氧量已知的情 況下，就可以獲得兩者的絕對(duì)值。另外還可以通過(guò)改變泵浦光和斯托克斯光的聚焦位置，來(lái)探測(cè)不同位置處¹Δ氧含量信息，繪制¹Δ氧的分布信息。

由于多程池的作用，多次聚焦使得泵浦光和染料光與¹Δ氧和基態(tài)氧的作用長(zhǎng)度增加，CARS信號(hào)強(qiáng)度比單次聚焦更強(qiáng)，可以提高探測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)低濃度¹Δ氧的探測(cè)。

由于相干反斯托克斯拉曼散射的強(qiáng)度大，方向性好，因此可以實(shí)現(xiàn)單脈沖探測(cè)，在現(xiàn)有高重頻脈沖激光器條件下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體池內(nèi)¹Δ氧含量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)快速探測(cè)。