[发明专利]基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置及方法

权利要求书

1.基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于该装置包括：

半导体激光器(1)、光栅(2)、模式匹配镜(3)、半波片(4)、环形谐振腔、BBO晶体(5)、二色向镜(6)、分束镜(7)、参考气室(8)、检测气室(9)和两个探测器；

所述的半导体激光器(1)输出波长为507.3±2纳米或730.2±2纳米，输出光强大于等于10毫瓦；

半导体激光器(1)输出的光路上设置有光栅(2)、模式匹配镜(3)、半波片(4)、耦合镜(10)、第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)；

半导体激光器(1)输出波长通过调节光栅角度实现反馈调节，准确达到507.3纳米或730.2纳米；

经光栅(2)调节后的光束依次经过模式匹配镜(3)和半波片(4)整形，再由耦合镜(10)进入环形谐振腔中；所述的模式匹配镜(3)为凸透镜；

所述的耦合镜(10)、第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)构成环形谐振腔，其中耦合镜(10)和第一高反镜(11)为平面镜，第二高反镜(12)和第三高反镜(13)为凹面镜；

光束在环形谐振腔中来回反射，光束穿过耦合镜，经第一高反镜反射到第二高反镜，再反射到第三高反镜，第三高反镜再将光束反射至耦合镜；第二高反镜(12)至第三高反镜(13)的光路上依次设置有BBO晶体(5)和二色向镜(6)；第二高反镜(12)至第三高反镜(13)过程中，经过BBO晶体(5)产生倍频效应，生成倍频光；倍频光被二色向镜(6)反射到环形谐振腔外，被分束镜(7)分为两束：一束通过参考气室(8)，被第一探测器(14)探测；一束通过检测气室(9)，被第二探测器(15)探测；两个探测器信号被数据采集卡采集。

2.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的第一高反镜(11)、第二高反镜(12)、第三高反镜(13)对激光反射率大于等于99％。

3.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的二色向镜(6)对基频光透射率大于等于80％，对倍频光反射率大于等于80％。

4.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的参考气室(8)，汞蒸气浓度与气室长度的乘积小于10ng/cm²；所述的检测气室(9)长度大于等于10厘米。

5.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的第一探测器(14)、第二探测器(15)为硅基光电二极管、雪崩二极管或光电倍增管。

6.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的光栅(2)与模式匹配镜(3)之间的光路上设置有第一反射镜(16)。

7.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的二色向镜(6)与分束镜(7)之间的光路上设置有第二反射镜(17)。

8.如权利要求1所述的基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置，其特征在于：所述的分束镜(7)与检测气室(9)之间的光路上设置有第三反射镜(18)。

9.采用如权利要求1装置进行气态元素汞浓度检测方法，其特征在于：

将已经确定气态汞浓度的气体充入参考气室(8)，再将待检测的含有气态元素汞的气体充入检测气室(9)，参考气室和检测气室均保持一个标准大气压；

开启半导体激光器(1)，数据采集卡接收第一探测器(14)和第二探测器(15)产生的信号，并传送至计算机进行如下数据处理：

首先对两路信号进行锁相放大：将原始信号乘以2倍正弦波调制频率的正弦信号，再通过低通滤波器，得到二次谐波信号；通过调整正弦信号的相位，得到最大的二次谐波信号；

然后记录参考气室中，二次谐波信号的最大幅值A_ref，在检测气室信号的同样位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值A_sam；计算得到待检测气体中气态汞的浓度C_sam：

其中，L_ref为参考气室的长度，L_sam为检测气室的长度，C_ref为参考气室中气态汞的浓度。