[发明专利]一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置，探测装置主要采用连续波量子级联激光器(CW-QCL)、激光器驱动与控制单元、平面反射镜、分束镜、可见光激光器、参考气体池、碲镉汞(MCT)探测器、离轴抛物面镜、角反射器、数字锁相放大器和计算机。本发明以中红外连续波量子级联激光器(CW-QCL)作为光源，长光程开放光路和波长调制技术相结合，实现对多组分痕量气体的高灵敏探测。

主权项

一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：以在室温下工作的连续波量子级联激光器(1)作为光源，量子级联激光器(1)在激光器驱动与控制单元(2)的控制下工作；在量子级联激光器(1)的前方光路上依次设置平面反射镜(3)和对红外光透射与反射能量比为8：2以及对可见光全反的分束镜(4)，平面反射镜(3)的作用是对红外光束进行调节，使得量子级联激光器(1)发出的光束在上下左右方向上均可调，以此获得更大的调节范围；量子级联激光器(1)发出的中红外光束不可见，为了方便光路调节，设置一个出射红光的可见光激光器(5)，其发出的红光经过分束镜(4)反射与分束镜(4)透射的红外光耦合；分束镜(4)反射的红外光的前方光路上依次设置平面反射镜(6)、参考气体池(7)和碲镉汞探测器(8)，平面反射镜(6)的作用是对分束镜(4)反射的红外光束进行调节，使得该光束在上下左右方向上均可调，参考气体池(7)的作用是充入标准气体进行参考信号的采样和浓度的标定，碲镉汞探测器(8)探测参考气体池后出射的信号；然后在分束镜(4)透射光路的前方设置离轴抛物面镜(9)和离轴抛物面镜(10)，离轴抛物面镜(9)和离轴抛物面镜(10)均安装在一个上下、前后、左右和俯仰等五维可调的支架上，使得红外光和红光耦合后的光束能实现扩束，减小光束发散角；经过离轴抛物面镜(9)和离轴抛物面镜(10)后扩束的红外光和红光耦合光束依次通过平面反射镜(11)和平面反射镜(12)，平面反射镜(11)和平面反射镜(12)配合调节用以改变光束出射方向，使得耦合光束在上下左右方向上均可调，以此获得更大的调节范围；经过平面反射镜(11)和平面反射镜(12)后的耦合光束经过离轴抛物面镜(13)的中心通孔进入开放大气中，经过约400m光程到达角反射器(14)，经过角反射器(14)反射后光束原路返回，由离轴抛物面镜(13)聚焦到碲镉汞探测器(15)；碲镉汞探测器(8)和碲镉汞探测器(15)分别探测到的参考信号和开放光路信号都经过数字锁相放大器(16)，被解调为二次谐波信号，这些二次谐波信号由计算机(17)内的高速数据采集卡采集并由基于Labview的程序进行浓度反演；针对待测气体的谱线特征选取合适的气体吸收线，在量子级联激光器(1)的电流驱动上加载锯齿扫描信号和高频正弦调制信号，锯齿扫描信号是改变激光器的输出波长，高频正弦调制信号是用来实现锁相放大器的谐波检测；扫描信号频率的设置要使扫描周期小于大气湍流的特征时间，实现波长快速扫描；通过调节加载电流和工作温度使激光器的中心波长扫描选择的目标吸收线；在量子级联激光器(1)工作温度一定的情况下，锯齿扫描信号的一个周期对应的波长调谐范围可达到1cm‑1以上，如果在这个扫描周期内能扫描到两个不同分子的吸收线的位置，可以实现对这两种气体分子的同时测量；向参考气体池(7)充入待测气体的标准浓度样气，得到待测气体的标准气体的二次谐波信号即2f信号，然后对此参考信号进行背景扣除和光强归一化处理；连续采集开放光路的二次谐波信号，利用测量的参考信号对光强归一化处理后的开放光路2f信号进行多元线性拟合，获得待测气体的浓度值。