[发明专利]具有改进反馈回路的腔增强型光声痕量气体探测器

说明书

技术领域

本发明涉及用于探测气体混合物中痕量气体的浓度的光声痕量气体探 测器，所述光声痕量气体探测器包括用于生成光束的光源，用于以斩波频 率将所述光束调制为一系列光脉冲以在所述气体混合物中产生声波的光调 制器，所述声波的幅度为所述浓度的量度，用于包含所述气体混合物并且 用于放大所述光脉冲的光强度的光腔，用于将所述声波转换为电信号的换 能器，以及用于调整所述光腔的长度和所述光束的波长的比率以放大所述 光腔中光脉冲的光强度的反馈回路，所述反馈回路包括用于以调制频率调 制所述比率的比率调制装置，用于测量所述光脉冲的光强度的光探测器， 以及耦合到所述光探测器和比率调制装置的调节装置，用于根据所测量的 光强度来调节所述比率的平均值。

背景技术

这种探测器可从由Rossi等人在Applied Physics Letters中发表的文章 “Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity”中了解。其中所描述的探测器发送通过 包含在声室(acoustic cell)中的气体的斩波激光束。激光波长被调整以便 将特定的气体分子激发到更高的能级。这一激发导致热能增加，使得声室 内温度和压力的局部升高。如果斩波频率与所述声室的谐振频率一致，那 么压力变化会产生持续的声波。所述声波由声室中的麦克风检测。这种声 室的谐振频率一般在500Hz到数kHz之间。在Rossi等人的探测器中，2.6 kHz的斩波频率用于匹配声室的谐振频率。

Rossi等人还描述了使用Fabry-Perot腔来放大声室中的光强度。放大是 非常有益的，因为探测器的灵敏度与激光功率成正比。从放置于Fabry-Perot 腔后面的光电二极管获得反馈信号。为了生成此反馈信号，通过将小正弦 波形添加到电源电流来微弱地调制激光波长。当反馈信号超过固定阈值时， 激光束的波长或腔的长度适于将传输带回到所需的级别。当斩波器妨碍光 束通过时光电二极管不提供反馈信号。结果，所述系统可能由于突然的干 扰而跳出其闭环，因为它无法足够快地进行响应。为了避免这点，需要低 响应时间，从而将平衡调和地开启和关闭反馈信号的效应。

光声痕量气体探测器的一个重要应用是呼吸试验。呼吸试验是医学技 术中有前景的领域。呼吸试验是非侵入的、用户友好的和低成本的。呼吸 试验的主要例子是监视哮喘、酒精呼吸试验以及检测胃病和急性器官排斥。 最初的临床试验表明可能应用于乳腺癌和肺癌的初筛。这些易失性生物标 记物一般浓度在十亿分之几(ppb)的范围内。一氧化氮(NO)是人体呼 吸中最重要的痕量气体之一，并且在哮喘病人中可以发现NO的浓度升高。 目前，仅能够使用昂贵且笨重的设备基于化学发光或远红外光学吸收光谱 法来测量呼出的ppb浓度级别的NO。小型手持式且低成本的NO传感器成 为令人感兴趣的设备，其可以用来诊断和监视气管发炎并且可以在医生办 公室使用并且用于家庭内的药物控制。

对于这些手持式气体分析设备来说将足够高的灵敏度(ppb级)与高健 壮性结合是一个挑战。当前的光声痕量气体探测器的缺点在于小外形激光 器(即二极管激光器)没有足够的激光功率来达到痕量气体检测所要求的 灵敏度。使用如Rossi等人描述的光功率增强腔可以增加光强度，但是这可 能会导致较慢的反馈。当结合光声来使用光学增强腔时，反馈信号被斩波 器间歇地开启和关闭。从而，腔锁定机制变得非常缓慢，这导致不足以健 壮地用于便携式应用的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种依照开头段落的、具有快速反馈回路的光 声气体痕量探测器。

依照本发明的第一方面，通过提供依照开头段落的光声痕量气体探测 器来实现此目的，其中斩波频率高于调制频率。

当选择高于调制频率的斩波频率时，在波长或腔长的一个调制周期内 多次地开启和关闭光。于是将在波长调制的一个周期内对光束受阻效应进 行平均，并且没有其中不存在反馈信号的周期。反馈回路的响应时间可以 比先前已知的具有光腔的光声痕量气体探测器快得多。

优选地，斩波频率至少比调制频率高三倍，以实现最有益的效果。