本發(fā)明涉及痕量氣體濃度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

痕量氣體濃度測(cè)量技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、資源勘探、醫(yī)療診斷等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。腔衰蕩光譜技術(shù)是一種直接吸收型光譜技術(shù)，相比于其他檢測(cè)方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：1)該技術(shù)直接測(cè)量量為時(shí)間，從而減小了由光源光強(qiáng)起伏帶來(lái)的測(cè)量誤差；2)利用高精細(xì)度穩(wěn)定諧振腔，該技術(shù)將氣體濃度測(cè)量有效光程擴(kuò)大了10³～10⁵倍，相比于傳統(tǒng)直接吸收型光譜技術(shù)，具有更高的靈敏度，適合痕量氣體濃度測(cè)量；3)該技術(shù)相比于熒光、聲光等非直接吸收型光譜技術(shù)，具有免定標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。

腔衰蕩光譜技術(shù)通常被認(rèn)為是單波長(zhǎng)光譜技術(shù)，若采用寬光譜光源進(jìn)行測(cè)量，則需要使用光柵光譜儀或分光光度計(jì)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。另一方面，利用該技術(shù)研制生產(chǎn)的常見(jiàn)痕量氣體濃度測(cè)量裝置，通常會(huì)采用光隔離器、聲光或電光開(kāi)關(guān)、壓電陶瓷位移控制器(PZT)等元器件。這些元器件的使用雖然對(duì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性有所提高，但是成本增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大、功率消耗增長(zhǎng)等弊端不利于該技術(shù)及其測(cè)量裝置在一些特定環(huán)境下使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種可以同步在線(xiàn)測(cè)量?jī)煞N痕量氣體濃度，且結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低的新型的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置。

基于上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置，包括：

第一可調(diào)諧連續(xù)激光器、第二可調(diào)諧連續(xù)激光器、第一模式匹配系統(tǒng)、第二模式匹配系統(tǒng)、諧振腔、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第一窄帶濾光片、第二窄帶濾光片、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、激光器控制器和信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)；

所述諧振腔包括第一腔鏡、第二腔鏡、第三腔鏡和第四腔鏡；

所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述第一聚焦透鏡聚焦后進(jìn)入所述諧振腔，透過(guò)所述第一腔鏡后經(jīng)所述第二腔鏡和第三腔鏡反射后依次透過(guò)所述第四腔鏡、第一聚焦透鏡和第一窄帶濾光片，最終入射到所述第一光電探測(cè)器；

所述第二可調(diào)諧連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述第二聚焦透鏡聚焦后進(jìn)入所述諧振腔，透過(guò)所述第二腔鏡后經(jīng)所述第一腔鏡和第四腔鏡反射后依次透過(guò)所述第三腔鏡、第二聚焦透鏡和第二窄帶濾光片，最終入射到所述第二光電探測(cè)器；

所述第一光電探測(cè)器和所述第二光電探測(cè)器分別與所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)電連接，所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)與所述激光控制器連接，所述激光器控制器分別與所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器和第二可調(diào)諧連續(xù)激光器電連接。

進(jìn)一步的，所述第一腔鏡和第四腔鏡的法線(xiàn)重合，且指向所述諧振腔的中心，所述第二腔鏡和第三腔鏡的法線(xiàn)重合，且指向所述諧振腔的中心。

進(jìn)一步的，所述第一腔鏡、第二腔鏡、第三腔鏡和第四腔鏡法線(xiàn)方向指向諧振腔中心的鏡面鍍高反膜，另一面鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

進(jìn)一步的，所述第一模式匹配系統(tǒng)和所述第二模式匹配系統(tǒng)都采用伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第一光電探測(cè)器和所述第二光電探測(cè)器具有高響應(yīng)速率，且光譜響應(yīng)范圍覆蓋待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)。

進(jìn)一步的，所述第一模式匹配系統(tǒng)和第二模式匹配系統(tǒng)中的鏡片，以及第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡鍍有對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)的增透膜。

從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置，包括第一可調(diào)諧連續(xù)激光器、第二可調(diào)諧連續(xù)激光器、第一模式匹配系統(tǒng)、第二模式匹配系統(tǒng)、諧振腔、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第一窄帶濾光片、第二窄帶濾光片、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、激光器控制器和信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)。通過(guò)使用高精細(xì)度四鏡環(huán)形穩(wěn)定腔，在實(shí)現(xiàn)雙組分痕量氣體濃度同步在線(xiàn)測(cè)量的同時(shí)，節(jié)省了光隔離器、激光合束器、分光器等元器件，結(jié)構(gòu)緊湊，且成本較低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為單個(gè)衰蕩事件中空腔態(tài)與非空腔態(tài)衰蕩時(shí)間測(cè)量示意圖；

圖3為多個(gè)衰蕩事件衰蕩時(shí)間測(cè)量示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)一步進(jìn)行清楚、完整、詳細(xì)地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個(gè)相同名稱(chēng)非相同的實(shí)體或者非相同的參量，可見(jiàn)“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定，后續(xù)實(shí)施例對(duì)此不再一一說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置，包括：

第一可調(diào)諧連續(xù)激光器、第二可調(diào)諧連續(xù)激光器、第一模式匹配系統(tǒng)、第二模式匹配系統(tǒng)、諧振腔、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第一窄帶濾光片、第二窄帶濾光片、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、激光器控制器和信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)；

所述諧振腔包括第一腔鏡、第二腔鏡、第三腔鏡和第四腔鏡；

所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述第一聚焦透鏡聚焦后進(jìn)入所述諧振腔，透過(guò)所述第一腔鏡后經(jīng)所述第二腔鏡和第三腔鏡反射后依次透過(guò)所述第四腔鏡、第一聚焦透鏡和第一窄帶濾光片，最終入射到所述第一光電探測(cè)器；

所述第二可調(diào)諧連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述第二聚焦透鏡聚焦后進(jìn)入所述諧振腔，透過(guò)所述第二腔鏡后經(jīng)所述第一腔鏡和第四腔鏡反射后依次透過(guò)所述第三腔鏡、第二聚焦透鏡和第二窄帶濾光片，最終入射到所述第二光電探測(cè)器；

所述第一光電探測(cè)器和所述第二光電探測(cè)器分別與所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)電連接，所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)與所述激光控制器連接，所述激光器控制器分別與所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器和第二可調(diào)諧連續(xù)激光器電連接。

本發(fā)明實(shí)施例的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置，通過(guò)使用高精細(xì)度四鏡環(huán)形穩(wěn)定腔，在實(shí)現(xiàn)雙組分痕量氣體濃度同步在線(xiàn)測(cè)量的同時(shí)，節(jié)省了光隔離器、激光合束器、分光器等元器件，結(jié)構(gòu)緊湊，且成本較低。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述第一腔鏡和第四腔鏡的法線(xiàn)重合，且指向所述諧振腔的中心，所述第二腔鏡和第三腔鏡的法線(xiàn)重合，且指向所述諧振腔的中心。進(jìn)一步的，所述第一腔鏡、第二腔鏡、第三腔鏡和第四腔鏡法線(xiàn)方向指向諧振腔中心的鏡面鍍高反膜，另一面鍍?cè)鐾改?。進(jìn)一步的，所述第一模式匹配系統(tǒng)和所述第二模式匹配系統(tǒng)都采用伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述第一光電探測(cè)器和所述第二光電探測(cè)器具有高響應(yīng)速率，且光譜響應(yīng)范圍覆蓋待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)。進(jìn)一步的，所述第一模式匹配系統(tǒng)和第二模式匹配系統(tǒng)中的鏡片，以及第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡鍍有對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)的增透膜。

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，本實(shí)施例的基于腔衰蕩光譜技術(shù)的雙組分痕量氣體濃度測(cè)量裝置，包括：第一可調(diào)諧連續(xù)激光器1、第二可調(diào)諧連續(xù)激光器2、第一模式匹配系統(tǒng)3、第二模式匹配系統(tǒng)4、諧振腔5、第一聚焦透鏡7、第二聚焦透鏡6、第一窄帶濾光片9、第二窄帶濾光片8、第一光電探測(cè)器11、第二光電探測(cè)器10、激光器控制器12和信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)13；

所述諧振腔包括第一腔鏡501、第二腔鏡502、第三腔鏡503和第四腔鏡504；

所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器1發(fā)出的激光經(jīng)所述第一聚焦透鏡7聚焦后進(jìn)入所述諧振腔5，透過(guò)所述第一腔鏡501后經(jīng)所述第二腔鏡502和第三腔鏡503反射后依次透過(guò)所述第四腔鏡504、第一聚焦透鏡7和第一窄帶濾光片9，最終入射到所述第一光電探測(cè)器11；

所述第二可調(diào)諧連續(xù)激光器2發(fā)出的激光經(jīng)所述第二聚焦透鏡4聚焦后進(jìn)入所述諧振腔5，透過(guò)所述第二腔鏡502后經(jīng)所述第一腔鏡501和第四腔鏡504反射后依次透過(guò)所述第三腔鏡503、第二聚焦透鏡6和第二窄帶濾光片8，最終入射到所述第二光電探測(cè)器10；

所述第一光電探測(cè)器11和所述第二光電探測(cè)器10分別與所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)13電連接，所述信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)13與所述激光控制器12連接，所述激光器控制器12分別與所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器1和第二可調(diào)諧連續(xù)激光器2電連接。

在本實(shí)施例中，所述第一可調(diào)諧連續(xù)激光器1和第二可調(diào)諧連續(xù)激光器2優(yōu)選為DFB-LD(分布反饋式半導(dǎo)體激光器)，DFB-LD具有輸出波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)(可通過(guò)電控或溫控調(diào)節(jié))，線(xiàn)寬窄(典型值為幾MHz)，體積小，成本低等特點(diǎn)。采用該光源可以提供大多數(shù)氣體近紅外特征吸收波長(zhǎng)，并且窄線(xiàn)寬可以提高測(cè)量的光譜分辨率。

模式匹配系統(tǒng)采用伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，在保證入射光與諧振腔空間匹配的同時(shí)，盡可能減小結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。

諧振腔采用高精細(xì)度四鏡環(huán)形穩(wěn)定腔設(shè)計(jì)。鏡片一面鍍制待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)的增透膜，另一面鍍制其波長(zhǎng)的高反膜，反射率應(yīng)高于99.9％，反射率越高，測(cè)量靈敏度越高。多種組分的特征吸收波長(zhǎng)應(yīng)在高反鏡鍍膜的反射特性譜上均有較高反射率。在未諧振的情況下，高反鏡會(huì)阻止入射光進(jìn)入諧振腔，并使其沿原路返回激光器。在CRDS中，這種光反饋對(duì)于激光器的出光特性影響較大，尤其是對(duì)DFB-LD這種效率較高的激光器。相比于線(xiàn)形腔，環(huán)形腔能有效的減少光反饋，使反射光偏離入射方向，因此可省去光隔離器；另一方面，由于環(huán)形腔不會(huì)在腔內(nèi)形成駐波，消除了因波節(jié)處高峰值功率密度可能帶來(lái)的非線(xiàn)性效應(yīng)。相比于目前市面上常見(jiàn)的三鏡片環(huán)形腔，由于四鏡腔可使腔鏡放置角度更為靈活，讓光線(xiàn)以小角度(例如2°或3°)在腔鏡上發(fā)生入射、反射，從而降低腔鏡鍍膜要求。本發(fā)明中，兩個(gè)光源可以從不同的腔鏡入射，其衰蕩信號(hào)可由兩個(gè)不同腔鏡處的光電探測(cè)器接收兩束光傳播方向相反，相互之間不造成不必要的影響，便于探測(cè)器的檢測(cè)。在實(shí)現(xiàn)雙組分同步在線(xiàn)測(cè)量的同時(shí)，節(jié)省了激光合束器、分光器等元器件。

光電探測(cè)器采用高響應(yīng)速率的InGaAs探測(cè)器，光譜響應(yīng)范圍可覆蓋待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)，并在探測(cè)器入口處放置窄帶濾光片，使探測(cè)信號(hào)為單一組分的衰蕩信號(hào)。由于高響應(yīng)速率的探測(cè)器通常具有較小的光敏面，需要對(duì)透射光進(jìn)行聚焦。

模式匹配系統(tǒng)和聚焦透鏡鍍有對(duì)待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)的增透膜，從而減小裝置內(nèi)的光干涉效應(yīng)。

如圖2所示，為單個(gè)衰蕩事件中空腔態(tài)與非空腔態(tài)衰蕩時(shí)間測(cè)量示意圖。

DFB-LD控制器通過(guò)溫度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)，使DFB-LD1和DFB-LD2輸出相同激光波長(zhǎng)。輸出激光波長(zhǎng)應(yīng)偏離兩種待測(cè)氣體(假定氣體A和氣體B)的特征吸收波長(zhǎng)，且輸出激光波長(zhǎng)應(yīng)位于諧振腔5中高反鏡的高反射率光譜內(nèi)，其中氣體光譜數(shù)據(jù)可通過(guò)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)。

DFB-LD1和DFB-LD2輸出激光分別經(jīng)過(guò)第一模式匹配系統(tǒng)和第二模式匹配系統(tǒng)進(jìn)入諧振腔中，此時(shí)完成入射光與諧振腔的空間匹配。DFB-LD控制器通過(guò)快速電流掃描，使DFB-LD1和DFB-LD2輸出激光波長(zhǎng)在掃描過(guò)程中可以與諧振腔進(jìn)行縱模匹配。

諧振腔內(nèi)激光通過(guò)腔鏡輸出，經(jīng)第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡聚焦分別聚焦在第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的光敏面處。當(dāng)輸入諧振腔的激光未與諧振腔實(shí)現(xiàn)縱模匹配時(shí)，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)極其微弱，甚至低于檢測(cè)限。當(dāng)輸入諧振腔的激光與諧振腔實(shí)現(xiàn)縱模匹配時(shí)，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)瞬間增強(qiáng)。通過(guò)信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)對(duì)DFB-LD控制器實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)DFB-LD1和DFB-LD2輸出激光的快速關(guān)斷。衰蕩時(shí)間T1＝t1-t0。

DFB-LD控制器在之前基礎(chǔ)上，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)，使DFB-LD1輸出氣體A的特征吸收波長(zhǎng)，使DFB-LD2輸出氣體B的特征吸收波長(zhǎng)。在實(shí)現(xiàn)縱模匹配時(shí)，第一光電探測(cè)器采集到經(jīng)由第二窄帶濾光片得到的氣體A的衰蕩事件，如圖2(B)所示，衰蕩時(shí)間T₂＝t₂-t₀。第一光電探測(cè)器采集到經(jīng)由第一窄帶濾光片得到的氣體B的衰蕩事件，如圖2(C)所示，衰蕩時(shí)間T₃＝t₃-t₀。

之后，通過(guò)DFB-LD控制器的連續(xù)調(diào)節(jié)，使上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，得到多個(gè)衰蕩事件，如圖3所示。圖3所示為多個(gè)衰蕩事件衰蕩時(shí)間測(cè)量示意圖。在信號(hào)采集分析控制系統(tǒng)中，對(duì)衰蕩時(shí)間進(jìn)行誤差分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到氣體A的平均衰蕩時(shí)間T₂’和氣體B的平均衰蕩時(shí)間T₃’。

最后，利用朗伯比爾定律，得到氣體A的濃度N_A和氣體B的濃度N_B分別表示為

其中c為光速；σ(λ_A)和σ(λ_B)分別測(cè)量所用氣體特征吸收波長(zhǎng)下的吸收截面大小，時(shí)間量為之前測(cè)得量。

借助于本發(fā)明的上述技術(shù)方案，通過(guò)使用高精細(xì)度四鏡環(huán)形穩(wěn)定腔，在實(shí)現(xiàn)雙組分痕量氣體濃度同步在線(xiàn)測(cè)量的同時(shí)，節(jié)省了光隔離器、激光合束器、分光器等元器件，使結(jié)構(gòu)獲得簡(jiǎn)化，體積得以減小。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開(kāi)的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，步驟可以以任意順序?qū)崿F(xiàn)，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡(jiǎn)明它們沒(méi)有在細(xì)節(jié)中提供。

另外，為簡(jiǎn)化說(shuō)明和討論，并且為了不會(huì)使本發(fā)明難以理解，在所提供的附圖中可以示出或可以不示出與集成電路(IC)芯片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發(fā)明難以理解，并且這也考慮了以下事實(shí)，即關(guān)于這些框圖裝置的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)是高度取決于將要實(shí)施本發(fā)明的平臺(tái)的(即，這些細(xì)節(jié)應(yīng)當(dāng)完全處于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍內(nèi))。在闡述了具體細(xì)節(jié)(例如，電路)以描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的情況下，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下或者這些具體細(xì)節(jié)有變化的情況下實(shí)施本發(fā)明。因此，這些描述應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性的。

盡管已經(jīng)結(jié)合了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是根據(jù)前面的描述，這些實(shí)施例的很多替換、修改和變型對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。例如，其它存儲(chǔ)器架構(gòu)(例如，動(dòng)態(tài)RAM(DRAM))可以使用所討論的實(shí)施例。

本發(fā)明的實(shí)施例旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的寬泛范圍之內(nèi)的所有這樣的替換、修改和變型。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。