[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

说明书

本发明涉及基于环形谐振腔倍频结构的气态汞浓度检测装置及方法。现有汞蒸气浓度检测装置使用寿命短、测量结果浮动大。本发明包括半导体激光器、光栅、模式匹配镜、半波片、环形谐振腔、BBO晶体、二色向镜、分束镜、参考气室、检测气室和两个探测器。半导体激光器输出波长为507.3或730.2纳米。检测时，启动激光器，接收两个探测器产生的信号，对两路信号进行锁相放大，得到最大二次谐波信号；记录参考气室中二次谐波信号的最大幅值，在检测气室信号的相同位置，获得检测气室路二次谐波信号的幅值；计算得到待检测气体中汞浓度。本发明扩大了光源选择范围，提高了倍频转化效率、装置灵敏度和检测精度，实现了对元素汞浓度的实时监测。

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种基于环形谐振腔倍频结构的气态元素汞浓度检测装置及方法。

背景技术

汞是一种会对神经系统与肝脏造成损害的物质。锅炉烟气、煤炭燃烧、水泥生产、垃圾焚烧、有色金属冶炼等环节都会有汞蒸气的排放。我国汞污染形势严峻。联合国环境规划署全球汞评估2013报告(Global Mercury Assessment 2013)指出，2010年中国人为汞排放量占全球的40％。为了限制汞的超标排放，市场上需要一种能对元素汞蒸气浓度进行准确测量的仪器。目前市场上的汞蒸气浓度检测装置，主要基于冷原子吸收光谱技术、基于冷原子荧光光谱技术、塞曼调制技术等，其特征是使用汞灯作为光源，因而会有使用寿命短(2000小时)，测量结果浮动大等缺点。

专利号为ZL201210055105的发明专利，公开了一种基于和频技术的汞蒸气连续监测装置及监测方法。该装置采用两束激光作为光源，通过和频技术产生253.7纳米的紫外光，其系统要求两束激光严格共线且偏振方向相同，因而系统稳定性不高，系统结构复杂。

申请号为2016106742574的发明专利，公开了一种基于倍频技术的气态元素汞浓度检测装置及方法，其思路是使用倍频技术代替和频技术，即使用507.4纳米的激光直接倍频产生253.7纳米的紫外光，并用产生的紫外激光进行测量。该系统虽然结构简单，但倍频的效率仍然十分低，产生的紫外光强度只有纳瓦量级，测量信噪比低；同时需要使用光电倍增管进行测量，提高了系统的成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的基于倍频技术的气态元素汞浓度检测装置及方法倍频效率低，需要使用光电倍增管进行测量，测量信噪比低的问题，提出了一种基于环形谐振腔倍频结构的气态元素汞浓度检测装置，并提供利用该装置的气态元素汞浓度检测方法。

为实现上述目的，本发明的气态元素汞浓度检测装置，包括：

半导体激光器、光栅、模式匹配镜、半波片、环形谐振腔、BBO晶体、二色向镜、分束镜、参考气室、检测气室和两个探测器。

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

半导体激光器输出的光路上设置有光栅、模式匹配镜、半波片、耦合镜、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜。

半导体激光器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。

经光栅调节后的光束依次经过模式匹配镜和半波片整形，再由耦合镜进入环形谐振腔中。所述的模式匹配镜为凸透镜。

耦合镜、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜组成的环形谐振腔中来回反射，其中耦合镜和第一高反镜为平面镜，第二高反镜和第三高反镜为凹面镜。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。第二高反镜至第三高反镜的光路上依次设置有BBO晶体和二色向镜。第二高反镜至第三高反镜过程中，经过BBO晶体产生倍频效应，生成倍频光。倍频光被二色向镜反射到环形谐振腔外，被分束镜分为两束：一束通过参考气室，被第一探测器探测；一束通过检测气室，被第二探测器探测；两个探测器信号被数据采集卡采集。