[发明专利]氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法

权利要求书

1.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，包括：

高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；

种子激光器模块，用于产生855nm的种子激光；

光参量振荡器，用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光，所述光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第二镜片与第三和第四镜片，第二镜片位于BBO晶体与高频激光器之间，用于透射355nm的光并反射607nm和855nm的光；第三镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm、607nm和855nm的光，第四镜片用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光；

DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，这四束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点，四束光的能量相等，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；

以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。

2.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，高频激光器为Nd:YAG激光器。

3.如权利要求2所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长855nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出855nm的种子激光。

4.如权利要求3所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，光电隔离器输出的种子激光经第一镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm激光束，第一镜片用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光，光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片进入DFWM信号光产生模块。

5.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，DFWM信号光产生模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，607nm的光经过第一分束器后分成第一束光和第二束光，第一束光按原来方向传播，第二束光向垂直于原来的方向传播，第一束光经过第二分束器后分成第三束光和第四束光，第三束光按原来方向传播，第四束光向垂直于原来的方向传播，第四束光经过第一反射镜变成平行于第三束光；第二束光经过第二反射镜后进入第三分束器中，分成第五束光和第六束光，第六束光按原来方向传播，用物体遮挡，第五束光向垂直于原来的方向传播，经过第三反射镜变成平行于第三束光和第四束光，第三束光、第四束光和第五束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号。

6.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，氮氧化物定量模块包括光电倍增管、信号平均器和计算机，DFWM光信号经过第二透镜准直后，进入光电倍增管转换成电信号，再经过信号平均器平均后，由计算机进行处理和保存。

7.如权利要求6所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，第二透镜和光电倍增管之间设有第四反射镜，DFWM光信号经过第二透镜准直后经过第四反射镜进入光电倍增管。

8.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过如权利要求1至7中的任一项所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置产生光谱数据；

将采集到的光谱数据扣除系统背景，得到真实测量信息的光强信号：

I＝I₀exp[-S(T)·φ(v)·P·χ(l)·L]，

其中，I为出射光的光强，I₀为入射光光强，S(T)为谱线的强度，单位为cm^-2atm^-1，φ(v)为线性函数，单位为cm，P为系统总压，单位为atm，L为气体样品池的长度，单位为cm，χ(l)为气体在l位置处的体积分数；

进而通过变形得到吸光度τ：

当线性函数满足归一化条件时，则积分吸光度A_j可以写成：

接着，采用两个积分吸光度的比值反演出测量场的温度，如下公式所示：

其中，T₀为参考温度，为298.15K，A₁和A₂分别为两个积分吸光度；

再通过已测量的温度修正此时的氮氧化物所对应的线强，具体表达式如下：

其中k是玻尔兹曼常数，单位为J·K^-1，c是光速，单位为cm·s^-1，h是普朗克常数，单位为J·s，E₁和E₂是两个能量，单位为cm^-1，Q(T)是配分函数；

根据温度修正此时氮氧化物所对应的线强，进而反演得到氮氧化物的浓度：