[发明专利]一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置及方法，涉及激光光谱和光电检测技术领域。本发明包括一个可调制的LED光源、准直透镜、样品池、聚焦透镜、微型石英晶振阵列、转换电路、数模转换模块、计算机控制单元、激光器控制模块。本发明利用一种微型石英晶振阵列的压电效应和谐振特性以及真空密封免去壳结构，结合高灵敏度衰荡腔增强光谱技术，将微型石英晶振阵列作为光电信号探测器实现了简易便捷的高灵敏度气体检测方案。

技术领域

本发明涉及激光光谱和光电检测技术领域，具体为一种基于微型石英晶振阵列的腔增强光谱气体检测装置及方法。

背景技术

激光光谱技术在大气环境监测、工业处理控制、燃烧诊断和呼吸气体成分诊断等领域具有重要意义。传统的激光光谱技术主要包括直接吸收光谱技术和光声光谱技术。在2002年，石英音叉首次被报道代替传统的麦克风作为声信号探测器成功应用于光声光谱系统中，石英增强光声光谱由此而来。此后，石英音叉被广泛研究。近年来，石英音叉作为光电探测器被应用于吸收光谱技术，与光声光谱技术不同，石英音叉作为光电探测器应用于吸收光谱技术中，是基于石英音叉的谐振特性和压电效应。基于石英音叉的激光光谱技术由于其受环境因素干扰小，检测灵敏度高，价格便宜，无波长响应限制等优势而发展迅速。

目前，基于石英音叉的激光光谱技术中所使用的一般分为两种，一种是标准的商业化圆柱石英晶振，本征频率约为32kHz。另一种是通过自行加工制作的频率更低、尺寸更大的定制音叉。石英音叉应用于气体检测时，音叉的性能受到其品质因子的影响，品质因子越高，其检测性能越好。前一种音叉在用于气体检测时需要将石英音叉去除金属外壳使得音叉能够与光路进行耦合从而探测声信号或者光信号，但是去除外壳后的音叉其品质因子大大降低。后一种音叉由于制作工艺复杂，开发成本较高而受到一定限制。以上两种裸露式音叉易受污染和腐蚀，无法满足苛刻环境和长期应用的要求。此外，石英音叉光电转换效率有限，无法用于微弱功率光源的高灵敏度测量，尤其是LED这类非受激辐射光源，以及紫外和太赫兹波段的激光光源等。

针对当前传统石英音叉或定制石英音叉所存在的不足，本发明提出一种基于微纳石英晶振阵列的高灵敏度气体检测装置和方法。该微型石英晶振通过微纳加工技术将微型石英音叉完全密封在真空环境下，不易被污染和腐蚀，可以在免去除外壳的情况下直接用于光电信号测量。相比于传统的标准化商业晶振和大尺度晶振，微型晶振不易受外部环境噪声扰动且品质因子较高，具有更窄的响应带宽。为了增强信号强度，通过阵列的模式集成多个晶振可实现信号叠加增强，能显著提高检测灵敏度。此外，通过结合高精度光学衰荡腔增加光与物质相互作用的吸收光程，使得该发明更适用于超高精度和超高灵敏度气体检测应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置及方法，解决了背景技术中提出的传统标准石英音叉或大尺寸石英音叉所存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置，该装置包括光源、准直透镜、样品池、聚焦透镜、微型石英晶振阵列、转换电路、数模转换模块、计算机控制单元、光源驱动控制模块；

所述计算机控制单元的输出端与光源驱动控制模块输入端连接，所述光源驱动控制模块的输出端与光源连接，所述光源的出射光经过准直透镜并穿过样品池，所述样品池后面设置聚焦透镜，所述聚焦透镜后面设有微型石英晶振阵列，所述微型石英晶振阵列与转换电路连接，所述转换电路的输出端与数模转换模块连接，所述数模转换模块连接计算机控制单元。

更进一步的，所述光源为可调制的LED光源。

更进一步的，所述样品池为带有高反射率腔镜的衰荡腔。

更进一步的，所述微型石英晶振阵列为多个相同型号的微型石英音叉通过微纳加工集成封装形成，阵列中音叉具体数量可依据实际应用需求来设置。