[发明专利]痕量气体探测装置及方法

说明书

本公开提供了一种痕量气体探测装置，包括：激光器模块；光学谐振腔，包括腔体和两块反射镜，其中，腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，两块反射镜垂直腔体的轴线放置于腔体的两端；透镜组，位于激光器模块和光学谐振腔之间；光电探测模块，用于接收光学谐振腔出射的光信号，并将光信号转换为电信号；反馈控制模块；光谱扫描控制模块，用于产生扫描信号，并将扫描信号发送给光学谐振腔，以改变光学谐振腔的腔长，使光学谐振腔出射多个光信号；以及数据采集模块，用于在光电探测模块将多个光信号转换为多个电信号后，接收多个电信号，并生成痕量气体的分子吸收光谱。此外，本公开还提供了一种使用该装置进行的痕量气体探测的方法。

技术领域

本公开涉及激光测量技术领域，更具体地，涉及一种痕量气体探测装置及方法。

背景技术

痕量气体是指大气中含量在百万分之一以下的气体，目前常使用激光光谱法进行痕量气体的探测，其中，分子双共振吸收光谱技术通过探测分子在不同激发态之间跃迁时的吸收光谱信号，实现零背景、高灵敏度、高分辨探测。

然而由于分子的近红外振转跃迁矩很小，在常温环境下，现有技术中常用的连续波半导体激光器的激光功率无法满足使分子跃迁饱和的需求。同时，为了增强分子的饱和效应，现有技术需要10Pa以下的低压测量环境，对测量灵敏度提出了更高的要求。

在实现本公开的过程发现，现有的分子吸收光谱设备或方法在常压下测得的吸收信号的强度较差，测量灵敏度较低，分辨率较低。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种痕量气体探测装置及方法。

本公开的一方面提供了一种痕量气体探测装置，包括：激光器模块、光学谐振腔、透镜组、光电探测模块、反馈控制模块、光谱扫描控制模块和数据采集模块。其中，上述激光器模块用于产生第一激光信号和第二激光信号；上述光学谐振腔包括腔体和两块反射镜，其中，上述腔体用于装填含有痕量气体的待测气体，上述两块反射镜垂直上述腔体的轴线放置于上述腔体的两端；上述透镜组位于上述激光器模块和上述光学谐振腔之间，用于将上述第一激光信号和上述第二激光信号耦合到上述光学谐振腔中；上述光电探测模块用于接收上述光学谐振腔出射的光信号，并将上述光信号转换为电信号；上述反馈控制模块用于响应上述电信号，调节上述第一激光信号和上述第二激光信号的频率；上述光谱扫描控制模块用于产生扫描信号，并将上述扫描信号发送给上述光学谐振腔，以改变上述光学谐振腔的腔长，使上述光学谐振腔出射多个上述光信号；上述数据采集模块用于在上述光电探测模块将多个上述光信号转换为多个上述电信号后，接收多个上述电信号，并生成上述痕量气体的分子吸收光谱。

根据本公开的实施例，上述激光器模块包括第一激光器和第二激光器。其中，上述第一激光器用于发射上述第一激光信号，上述第一激光信号用于将上述痕量气体分子从基态激发到第一激发态；上述第二激光器用于发射上述第二激光信号，上述第二激光信号用于将上述痕量气体分子从上述第一激发态激发到第二激发态。

根据本公开的实施例，上述第一激光信号的频率和上述第一激光信号的频率不同。

根据本公开的实施例，上述反射镜包括第一端面和第二端面。其中，两个上述反射镜的第一端面相对设置，两个上述反射镜的第一端面与上述腔体构成上述光学谐振腔，两个上述反射镜的第一端面镀有反射膜层，所述反射膜层用于反射上述第一激光信号和上述第二激光信号，使上述痕量气体的分子跃迁产生跃迁吸收信号；两个上述反射镜的第二端面镀有增透膜层，所述增透膜层用于使上述跃迁吸收信号中的上述痕量气体分子从上述第一激发态激发到上述第二激发态时的吸收信号通过上述第二端面，形成光信号。

根据本公开的实施例，上述光学谐振腔还包括驱动装置，上述驱动装置固定在其中一块上述反射镜上，用于响应上述扫描信号，推动上述反射镜沿上述腔体的轴线方向运动，以改变上述光学谐振腔的上述腔长。