[發(fā)明專利]基于量子級聯(lián)激光器的紅外光腔衰蕩光譜痕量氣體檢測方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910092865.4
• 申請日: 2009-09-09
• 公開（公告）號: CN101644673A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓艷玲;李斌成;曲折超
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 成金玉;盧 紀(jì)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種痕量氣體的檢測方法，特別涉及一種基于量子級聯(lián)激光器的紅外光腔衰蕩光譜痕量氣體檢測方法。

背景技術(shù)

痕量氣體分析檢測技術(shù)在有毒氣體和爆炸物氣體檢測、大氣監(jiān)測、工業(yè)廢氣和汽車尾氣污染測量、農(nóng)業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測、疾病診斷以及各種工業(yè)制造過程監(jiān)控等諸多領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用需求。氣體檢測方法主要分傳統(tǒng)的化學(xué)檢測法和新型的光譜檢測法兩大類。紅外光腔衰蕩光譜技術(shù)是一種基于光腔衰蕩技術(shù)(CRDS)的紅外吸收光譜技術(shù)，光腔衰蕩技術(shù)測量的是光在衰蕩腔中的衰蕩時間，該時間僅與衰蕩腔反射鏡的反射率和腔內(nèi)介質(zhì)的吸收有關(guān)，通過測量衰蕩時間可實現(xiàn)對腔內(nèi)介質(zhì)吸收的間接測量。由于衰蕩時間與入射光強的漂移無關(guān)，因此測量結(jié)果不受脈沖激光強度漲落的影響，與傳統(tǒng)的化學(xué)檢測法相比，具有靈敏度高、信噪比高、抗干擾能力強等優(yōu)點。通常大多數(shù)需要監(jiān)測的氣體在3-14μm的紅外波動都具有大量的特征吸收譜線和吸收譜區(qū)，利用紅外光腔衰蕩光譜技術(shù)，選取合適的激光器和檢測譜線可實現(xiàn)多種痕量氣體同步分析檢測。

目前，安徽光學(xué)與精密機械研究所、大連理工大學(xué)和華東師范大學(xué)正在開展光腔衰蕩光譜技術(shù)測量痕量氣體(CO₂、C₂H₆、I₂、O₂等)組分的研究，使用的光源分別為近紅外的半導(dǎo)體激光器、光參量振蕩器(Optical?Parametric?Oscillator，簡稱OPO)和染料激光器。中遠(yuǎn)紅外波段使用的脈沖OPO光源體積龐大，價格昂貴，維護困難，不利于儀器化。隨著量子級聯(lián)激光技術(shù)的發(fā)展和中遠(yuǎn)紅外量子級聯(lián)激光器的市場化，由量子級聯(lián)激光器為光源代替OPO成為可能，本發(fā)明提出一種基于紅外光腔衰蕩光譜技術(shù)并利用量子級聯(lián)激光器的痕量氣體分析檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于量子級聯(lián)激光器的紅外光腔衰蕩光譜痕量氣體分析檢測方法，具有測量靈敏度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)多種痕量氣體的快速、準(zhǔn)確的在線分析檢測。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于量子級聯(lián)激光器紅外光腔衰蕩光譜痕量氣體檢測方法，包括以下步驟：

(1)基于光腔衰蕩技術(shù)，由兩塊相同的、凹面鍍高反膜的平凹高反鏡凹面相對構(gòu)成衰蕩腔；衰蕩腔鏡安裝于樣品池兩端，衰蕩腔與樣品池組成密封的測量腔；以可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器為光源，針對所測氣體的譜線特征選取測量波段及波長掃描步長；

(2)在腔內(nèi)無吸收條件下，按選定測量波段及波長掃描步長調(diào)諧激光器輸出波長，在各波長λ下，探測光腔輸出的衰蕩信號，按照單指數(shù)衰減函數(shù)擬合計算空腔衰蕩時間τ_empty(λ)；然后向腔內(nèi)充入痕量待測氣體，重復(fù)上述過程測得各波長λ下的衰蕩時間τ(λ)；依關(guān)系式α(λ)=1c(1τ(λ)-1τempty(λ))]]>(c為光速)計算氣體的吸收系數(shù)α(λ)，繪制吸收系數(shù)α(λ)與波長λ的關(guān)系曲線即得所測氣體的吸收光譜圖；

(3)將所得吸收光譜圖與已知的HITRAN數(shù)據(jù)庫(HITRAN，High-resolutionTransmission?Database，通常直譯為HITRAN數(shù)據(jù)庫，為一個氣體物質(zhì)高分辨光譜的大型國際通用數(shù)據(jù)庫)中相應(yīng)氣體的譜線特征對比，確定所測氣體是否含有預(yù)期氣體成分；