[發明專利]一種利用鎖頻激光的光腔衰蕩光譜技術測量氣體組分含量的系統和方法

無效

• 申請號: 201210230344.2
• 申請日: 2012-07-05
• 公開（公告）號: CN102768198A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 胡水明;陸燕;劉安雯;陳兵
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及激光測量技術領域，特別是涉及一種使用鎖頻激光的、基于光腔衰蕩技術的激光光譜測量氣體中組分含量的系統和方法。?

背景技術

目前，利用分子的光譜來測量氣體組分含量的方法已得到發展，該方法具體為：通過對被測氣體中某氣體組分分子的某條吸收譜線進行測量，獲取該組分的吸收率，進一步依據該吸收率與該氣體組分之間所存在的線性關系，獲得該氣體組分的含量。例如，選定某氣體組分分子在頻率v₀處的吸收譜線，在吸收峰附近掃描激光器頻率v(v＝1/λ，單位cm^-1)，測量其吸收光譜，得到相應的吸收率α(v)(單位cm^-1)，即可對該吸收光譜進行數值擬合，得到吸收峰的面積，由關系?

kN＝∫α(v)dv??????????????????????????(1)?

可以直接得到該分子密度N(單位molecule/cm³，個分子每立方厘米)，其中k為所選定吸收譜線的強度，單位為cm/molecule(厘米每個分子)，可以從HITRAN等光譜數據庫查得，或利用吸收光譜方法直接進行測定。?

但是，普通的光譜方法靈敏度低，難以對含量較低的檢測對象進行測量。光腔衰蕩光譜(Cavity?Ring-Down?Spectroscopy，CRDS)技術是一種利用高反射率光腔來提高有效吸收光程，從而達到很高探測靈敏度的吸收光譜技術，能夠對常規吸收光譜方法無法測量到的痕量樣品進行檢測。其測量原理是將被測氣體置于由一對平凹鏡組成的光學腔(以下稱之為光衰蕩腔)中。一束連續激光經過一個光開關后進入衰蕩腔，當其滿足共振條件時，會有一部分光穿過衰蕩腔并射出；光探測器測得射出光后，觸發光開關關閉，此后透射光會隨時間以指數形式衰減，這被稱為一個衰蕩事件；擬合該衰蕩事件，會得到特征衰蕩時間τ，它與目標氣體的吸收率α有關：?

1cτ(λ)=1cτ0+α(λ)---(2)]]>

其中L為衰蕩腔長度，c為光速，τ₀為不存在吸收(如空腔時)的衰蕩時間，與激光波長λ無關。因此，如果掃描激光波長λ，同時測量衰蕩時間τ，就能夠通過對所測得的(cτ)^-1結果進行擬合得到該譜線的積分吸收率，并進而得到被測氣體中某氣體組分的絕對含量。然而，由于測量衰蕩事件所需要的時間較長，掃描光譜方法又需要在多個波長點進行測量，使得測量的時間消耗較大(一般為數十秒)。?

發明內容

(一)要解決的技術問題?

本發明所要解決的技術問題是現有的光腔衰蕩光譜技術測量氣體組分含量的方法耗時較長的缺點。?

(二)技術方案?

為了解決上述技術問題，本發明利用自動反饋控制方法，將激光器輸出激光的波長自動控制在被測目標氣體分子的吸收線中心λ₀處，不再掃描激光波長，僅通過測量被測目標氣體在λ₀處的吸收率α(λ₀)，根據公式kN＝αφ來得到目標氣體在光衰蕩腔中的密度N。其中線形參數φ以及線強度k分別表示吸收線線寬和吸收線強度，均可根據光衰蕩腔中的目標氣體的溫度、壓力和標準數據庫(如HITRAN)得到，也可以通過對標準目標氣體進行測量定標的方法來確定。?