本實用新型是關(guān)于一種寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀，涉及大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏的光譜檢測手段，廣泛應(yīng)用于大氣中痕量氣體濃度和氣溶膠消光特性的檢測。在特定波長下，它可以根據(jù)氣體的特征吸收檢測氣體的濃度，此外，在得知顆粒物的粒徑和濃度后，也可應(yīng)用于檢測氣溶膠的消光截面和折射率等參數(shù)。光腔衰蕩光譜技術(shù)作為一種全新的、高靈敏的激光光譜技術(shù)，與傳統(tǒng)吸收光譜中探測透射光強度的變化不同，光腔衰蕩光譜測定的對象是光腔內(nèi)光強衰減的速度。光在諧振腔內(nèi)的強度隨時間呈現(xiàn)自然指數(shù)衰減。對于一個給定的諧振腔，在一定的激光頻率下，衰蕩時間為一個定值。它只與諧振腔的腔長、高反鏡的反射率和腔內(nèi)介質(zhì)的損耗有關(guān)，與入射光初始光強無關(guān)。這就避免了傳統(tǒng)吸收光譜中光源光強波動對檢測結(jié)果的影響。更為重要的是，由于光束在諧振腔內(nèi)往返震蕩，大大提高了光程。作為一種可提供長光程，對激光穩(wěn)定性要求低，無需校準的絕對方法，光腔衰蕩光譜無論在實驗室研究以及外場觀測都得到了廣泛應(yīng)用。

但是，目前所使用的光腔衰蕩光譜多為單波長或覆蓋很窄的波段，限制了它的廣泛應(yīng)用。單波長最多只能用于檢測一種痕量氣體，而且只能給出該波長下氣溶膠的消光系數(shù)，無法給出寬波段范圍內(nèi)氣溶膠光學性質(zhì)的光譜分辨。然而，太陽光的波譜范圍寬廣，不同波段下氣溶膠的光學性質(zhì)卻不盡相同，比如在紫外波段，很多有機氣溶膠存在光吸收。另外，大部分氣溶膠的折射率與波長相關(guān)，因此，覆蓋寬波段的光腔衰蕩光譜具有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種能夠在350～870nm波長范圍內(nèi)的氣溶膠光學性質(zhì)的高靈敏檢測的寬波段可調(diào)諧的光腔衰蕩光譜。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術(shù)方案：一種寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀，其特征在于，該光腔衰蕩光譜儀包括寬波段可調(diào)諧激光光源、光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光路自動切換系統(tǒng)、光學諧振腔陣列和光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述寬波段可調(diào)諧激光光源用于實現(xiàn)不同波長下激光的輸出；所述光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于對不同波長激光光強進行均一；所述光路自動切換系統(tǒng)用于使得經(jīng)所述寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應(yīng)某個波長范圍的所述光學諧振腔陣列內(nèi)的光學諧振腔中；所述光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于接收和記錄經(jīng)所述光學諧振腔陣列出射的激光，同時記錄經(jīng)所述寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的激光波長。

優(yōu)選地，所述寬波段可調(diào)諧激光光源包括激光器、光參量振蕩器和控制器，所述激光器將產(chǎn)生的泵浦激光發(fā)送到所述光參量振蕩器，所述控制器根據(jù)試驗所需波長控制所述光參量振蕩器內(nèi)的晶體和棱鏡自動轉(zhuǎn)到指定位置實現(xiàn)激光波長的選擇性輸出，同時所述控制器將所選擇的波長信息發(fā)送到所述光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器內(nèi)進行記錄，經(jīng)所述光參量振蕩器輸出的某一波長的激光發(fā)射到所述光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行光強調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，當所述光參量振蕩器輸出的激光為紫外光時，所述光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一光闌和一連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片，經(jīng)所述光參量振蕩器輸出的激光發(fā)送到所述光闌收縮光束，經(jīng)所述光闌出射的激光發(fā)射到所述光學諧振腔。

優(yōu)選地，當所述光參量振蕩器輸出的激光為可見光或紅外光時，所述光強調(diào)節(jié)光路包括一反射型中性密度濾波片、一光闌和一連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片，經(jīng)所述光參量振蕩器輸出的激光先經(jīng)所述反射型中性密度濾波片將光強進行一次衰減，經(jīng)所述反射型中性密度濾波片出射光經(jīng)所述光闌收縮光束后再經(jīng)所述連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片調(diào)節(jié)光強發(fā)射到所述光路自動切換系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述光路自動切換系統(tǒng)包括若干電動升降光路反射鏡，每一所述電動升降光路反射鏡均通過一升降鏡架支撐固定，每一所述升降鏡架均通過一電纜電連接所述控制器，所述升降鏡架內(nèi)置馬達，經(jīng)所述光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的激光反射到某一所述升降光路反射鏡，所述控制器通過控制所述電纜調(diào)節(jié)相應(yīng)所述升降鏡架的降落或升起，從而使激光經(jīng)某一電動升降光路反射鏡反射進入相應(yīng)的光學諧振腔。

優(yōu)選地，所述光學諧振腔陣列包括若干縱向平行間隔設(shè)置的光學諧振腔，若干不同的所述光學諧振腔的兩端固定設(shè)置有若干組不同波長的高反射鏡片，每一所述光學諧振腔的腔體兩端固定設(shè)置有用于放置所述高反射鏡的可調(diào)高反鏡架，位于兩所述高反射鏡的一側(cè)下部別設(shè)置有吹掃氣流管用于進入吹掃氣流對所述高反射鏡進行吹掃，對應(yīng)所述高反射鏡的位置，所述光學諧振腔上還分別設(shè)置有光腔進氣口和光腔出氣口，所述光學諧振腔體內(nèi)部兩側(cè)還設(shè)置有隔離模塊。

優(yōu)選地，所述光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括與所述光學諧振腔數(shù)量相同的聚焦透鏡、一分束光纖、一光電倍增管、一示波器和一數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)所述光學諧振腔出射的激光經(jīng)所述聚焦透鏡聚焦到所述分束光纖的中心，所述分束光纖將出射的激光匯集所述光電倍增管，經(jīng)所述光電倍增管進行光電轉(zhuǎn)換的信號分別發(fā)送到所述示波器和數(shù)據(jù)采集器，同時，所述控制器將經(jīng)所述光參量振蕩器輸出的激光波長發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集器采用裝設(shè)有高速數(shù)據(jù)采集卡的計算機。

本實用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本實用新型由于設(shè)置有光路自動切換系統(tǒng)，使得經(jīng)寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應(yīng)的某個波長范圍的光學諧振腔陣列內(nèi)的光學諧振腔中，因此可以實現(xiàn)在350～870nm波長范圍內(nèi)的氣溶膠光學性質(zhì)的高靈敏檢測。2、本實用新型由于設(shè)置有寬波段可調(diào)諧激光光源，用于實現(xiàn)不同波長下激光的輸出，通過光路自動切換系統(tǒng)可以測量多種痕量氣體的濃度。3、本實用新型可以實現(xiàn)不同波長下測量的快速切換也可以實現(xiàn)波段范圍的自動掃描。本實用新型可以廣泛應(yīng)用于對350～870nm波長范圍內(nèi)的氣溶膠光學性質(zhì)進行高靈敏檢測。

附圖說明

圖1是本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的光學諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來對本實用新型進行詳細的描繪。然而應(yīng)當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本實用新型，它們不應(yīng)該理解成對本實用新型的限制。

本實用新型提供的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀，包括寬波段可調(diào)諧激光光源、光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光路自動切換系統(tǒng)、光學諧振腔陣列和光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，寬波段可調(diào)諧激光光源用于實現(xiàn)不同波長下激光的輸出，本實用新型的寬波段可調(diào)諧激光光源可以輸出紫外光或可見光和紅外光。光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于實現(xiàn)不同波長激光光強的均一，避免某一波段下過大的光強損傷光學諧振腔中高反射鏡鍍膜。光路自動切換系統(tǒng)用于使得經(jīng)寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應(yīng)的某個波長范圍的光學諧振腔陣列內(nèi)的光學諧振腔中。光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于接收和記錄經(jīng)光學諧振腔陣列出射的激光，同時記錄經(jīng)寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的激光波長。

在一個優(yōu)選的實施例中，寬波段可調(diào)諧激光光源包括激光器1、光參量振蕩器2和控制器3，本實用新型實施例中的激光器3可以采用Nd:YAG激光器，以此為例，不限于此，Nd:YAG激光器1將產(chǎn)生355nm的泵浦激光發(fā)送到光參量振蕩器2，控制器3根據(jù)試驗所需波長控制光參量振蕩器2內(nèi)的晶體和棱鏡自動轉(zhuǎn)到指定位置實現(xiàn)激光波長的選擇性輸出，同時控制器3將所選擇的波長信息發(fā)送到光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器內(nèi)進行記錄，經(jīng)光參量振蕩器2輸出的某一波長的激光經(jīng)光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)光強后并經(jīng)兩光路反射鏡4反射進入到相應(yīng)的光學諧振腔內(nèi)。

在一個優(yōu)選的實施例中，由于紫外波段激光能量較低，可以直接通過連續(xù)可調(diào)的方式進行光強衰減，當經(jīng)光參量振蕩器2輸出的激光為紫外光時，光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一光闌5和一連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片6，經(jīng)光參量振蕩器2輸出的激光發(fā)送到光闌5收縮光束，經(jīng)光闌5出射的激光依次經(jīng)兩光路反射鏡4發(fā)射到光學諧振腔。當經(jīng)光參量振蕩器2輸出的激光為可見光或紅外光，光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一反射型中性密度濾波片7、一光闌8和一連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片9，由于可見光或紅外光能量較高，經(jīng)光參量振蕩器2輸出的激光先經(jīng)反射型中性密度濾波片7將光強進行一次衰減，經(jīng)反射型中性密度濾波片7出射光經(jīng)光闌8收縮光束后再經(jīng)連續(xù)可調(diào)型中性密度濾波片9調(diào)節(jié)光強后發(fā)射到光路反射鏡4。

在一個優(yōu)選的實施例中，光路自動切換系統(tǒng)包括若干電動升降光路反射鏡10，每一電動升降光路反射鏡10均通過一升降鏡架支撐固定，每一升降鏡架均通過一電纜電連接控制器3，升降鏡架內(nèi)置高精度馬達，可實現(xiàn)精準的位置切換和還原。當寬波段可調(diào)諧激光光源輸出的為可見光或紅外光時，經(jīng)光強調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的激光經(jīng)光路反射鏡4反射到某一電動升降光路反射鏡10，控制器3通過控制電纜調(diào)節(jié)相應(yīng)升降鏡架的降落或升起，從而使激光經(jīng)某一電動升降光路反射鏡10反射進入相應(yīng)的光學諧振腔。當激光器的輸出波長為λ時，控制器判斷λ所屬的波長范圍，然后將該波長范圍所對應(yīng)的升降鏡架控制信號輸出為“1”，該升降鏡架升起；將其他升降鏡架的控制信號均輸出為“0”，其他升降鏡架降下。例如：如果經(jīng)光參量振蕩器輸出的波長為540nm，則波長為515～570nm高反射鏡片的光學諧振腔所對應(yīng)的升降鏡架升起，而所有其他升降鏡架均降下，使波長為540nm激光通過，將激光反射進入此光學諧振腔體。當改變波長超出一組高反射鏡片覆蓋范圍時，需要將光路在不同諧振腔之間切換，采用高精度馬達控制的升降鏡架來使激光通過或被反射，保證光路在切換后不受影響。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖2所示，光學諧振腔陣列包括縱向平行間隔設(shè)置的光學諧振腔11，本實用新型實施例中光學諧振腔的個數(shù)為7個，以此為例，不限于此，7個不同的光學諧振腔11的兩端固定設(shè)置有7組不同波長的高反射鏡片111。每一組高反射鏡片111的反射率應(yīng)在99.9％或以上，本實用新型的7個光學諧振腔所采用的高反射鏡片111的波長分別為350～400nm、410～460nm、465～510nm、515～570nm、580～665nm、670～750nm、760～870nm，但不局限于以上波長范圍。7個光學諧振腔11的結(jié)構(gòu)完全相同，每一光學諧振腔11的腔體兩端固定設(shè)置有用于放置高反射鏡111的可調(diào)高反鏡架112，可以通過微調(diào)螺絲113調(diào)節(jié)可調(diào)高反射鏡架實現(xiàn)對高反射鏡111位置的調(diào)節(jié)，位于兩高反射鏡111的一側(cè)下部分別設(shè)置有吹掃氣流管114用于進入吹掃氣流對高反射鏡111進行吹掃。對應(yīng)高反射鏡111的位置，光學諧振腔上還分別設(shè)置有光腔進氣口115和光腔出氣口116，為了防止高反射鏡111被污染，光學諧振腔11內(nèi)部兩側(cè)還設(shè)置有隔離模塊117，用于將氣溶膠氣流與吹掃氣流分開，從而進一步防止當氣溶膠濃度很高或者流量很大時對高反射鏡111的污染。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖1所示，光強檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括與光學諧振腔數(shù)量相同的聚焦透鏡12、分束光纖13、光電倍增管14、示波器15和數(shù)據(jù)采集器16，經(jīng)光學諧振腔11出射的激光經(jīng)聚焦透鏡12聚焦到分束光纖13的中心，分束光纖13將出射的激光匯集光電倍增管14，經(jīng)光電倍增管14進行光電轉(zhuǎn)換的信號分別發(fā)送到示波器15和數(shù)據(jù)采集器16，同時，控制器3將經(jīng)光參量振蕩器2輸出的激光波長發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器16內(nèi)，數(shù)據(jù)采集器16可以采用采用裝設(shè)有高速數(shù)據(jù)采集卡的計算機。

下面通過具體實施例詳細說明本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀的測量原理。

本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀的測量方法基于朗伯-比爾定律，通過檢測激光在光學諧振腔11內(nèi)的高反射鏡111之間多次反射后光強的衰減，計算光學諧振腔內(nèi)11高反射鏡111之間介質(zhì)的消光系數(shù)。假設(shè)光電倍增管14所檢測到的初始光強為I₀，經(jīng)過高反射鏡111多次反射后，光強衰減為I₀/e的時間即為衰蕩時間。如果光學諧振腔11腔內(nèi)為零空氣，則將信號視為背景，消光系數(shù)為零，此時所監(jiān)測到的衰蕩時間為τ₀。如果光學諧振腔11內(nèi)存在氣溶膠或吸收性氣體，則消光系數(shù)增大，衰蕩時間變短為τ。假設(shè)光腔進氣口115與光腔出氣口116之間的距離為l，兩個高反射鏡片111之間的距離為L，則計算介質(zhì)的消光系數(shù)α_ext的公式為：

式中，c表示光速。

若采用本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀檢測痕量氣體，得知氣體單位濃度吸收截面σ_abs的情況下，則可以通過C_gas＝α_ext/σ_abs計算氣體濃度C_gas。例如：在380～420nm波長處，可以通過二氧化氮NO₂分子的吸收截面(6*10^-19cm²)和檢測到的消光系數(shù)來計算污染氣體NO₂的濃度；同樣地，在662nm波長處，也可以使用本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀來檢測NO₃自由基的濃度。

若采用本實用新型的寬波段可調(diào)諧光腔衰蕩光譜儀檢測氣溶膠，在得知氣溶膠數(shù)濃度N的情況下，即可通過σ_ext＝α_ext/N計算每一個氣溶膠顆粒的消光截面σ_ext，若得知氣溶膠粒徑，還可以進一步計算得到折射率，從而得到氣溶膠的在不同波長下的消光特性。

上述各實施例僅用于說明本實用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本實用新型的保護范圍之外。