[发明专利]基于量子级联激光器的红外光腔衰荡光谱痕量气体检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种痕量气体的检测方法，特别涉及一种基于量子级联激光器的红外光腔衰荡光谱痕量气体检测方法。

背景技术

痕量气体分析检测技术在有毒气体和爆炸物气体检测、大气监测、工业废气和汽车尾气污染测量、农业环境气体监测、疾病诊断以及各种工业制造过程监控等诸多领域存在广泛的应用需求。气体检测方法主要分传统的化学检测法和新型的光谱检测法两大类。红外光腔衰荡光谱技术是一种基于光腔衰荡技术(CRDS)的红外吸收光谱技术，光腔衰荡技术测量的是光在衰荡腔中的衰荡时间，该时间仅与衰荡腔反射镜的反射率和腔内介质的吸收有关，通过测量衰荡时间可实现对腔内介质吸收的间接测量。由于衰荡时间与入射光强的漂移无关，因此测量结果不受脉冲激光强度涨落的影响，与传统的化学检测法相比，具有灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力强等优点。通常大多数需要监测的气体在3-14μm的红外波动都具有大量的特征吸收谱线和吸收谱区，利用红外光腔衰荡光谱技术，选取合适的激光器和检测谱线可实现多种痕量气体同步分析检测。

目前，安徽光学与精密机械研究所、大连理工大学和华东师范大学正在开展光腔衰荡光谱技术测量痕量气体(CO₂、C₂H₆、I₂、O₂等)组分的研究，使用的光源分别为近红外的半导体激光器、光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，简称OPO)和染料激光器。中远红外波段使用的脉冲OPO光源体积庞大，价格昂贵，维护困难，不利于仪器化。随着量子级联激光技术的发展和中远红外量子级联激光器的市场化，由量子级联激光器为光源代替OPO成为可能，本发明提出一种基于红外光腔衰荡光谱技术并利用量子级联激光器的痕量气体分析检测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种基于量子级联激光器的红外光腔衰荡光谱痕量气体分析检测方法，具有测量灵敏度高，抗干扰能力强，易于实现多种痕量气体的快速、准确的在线分析检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于量子级联激光器红外光腔衰荡光谱痕量气体检测方法，包括以下步骤：

(1)基于光腔衰荡技术，由两块相同的、凹面镀高反膜的平凹高反镜凹面相对构成衰荡腔；衰荡腔镜安装于样品池两端，衰荡腔与样品池组成密封的测量腔；以可调谐量子级联激光器为光源，针对所测气体的谱线特征选取测量波段及波长扫描步长；

(2)在腔内无吸收条件下，按选定测量波段及波长扫描步长调谐激光器输出波长，在各波长λ下，探测光腔输出的衰荡信号，按照单指数衰减函数拟合计算空腔衰荡时间τ_empty(λ)；然后向腔内充入痕量待测气体，重复上述过程测得各波长λ下的衰荡时间τ(λ)；依关系式α(λ)=1c(1τ(λ)-1τempty(λ))]]>(c为光速)计算气体的吸收系数α(λ)，绘制吸收系数α(λ)与波长λ的关系曲线即得所测气体的吸收光谱图；

(3)将所得吸收光谱图与已知的HITRAN数据库(HITRAN，High-resolutionTransmission Database，通常直译为HITRAN数据库，为一个气体物质高分辨光谱的大型国际通用数据库)中相应气体的谱线特征对比，确定所测气体是否含有预期气体成分；