[發明專利]一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統及方法

在審

• 申請號: 201510077979.7
• 申請日: 2015-02-14
• 公開（公告）號: CN104655587A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 董敬濤;陳堅;吳周令
• 申請（專利權）人: 合肥知常光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/31
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 金凱;宋倩

1.一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：該系統包括泵浦激光器、光束調制裝置、光程池、反射聚焦裝置、MEMS微懸臂梁、探測激光器、位置敏感探測器、鎖相放大器和中央處理器，所述光程池用于容納被測氣體樣品，所述MEMS微懸臂梁由基座以及固定在基座上的雙層結構組成，所述雙層結構包括黑硅材料層以及形成于黑硅材料層上的金屬材料層；

所述泵浦激光器的輸出端通過光束調制裝置與光程池的入光口光路連接，所述光程池的出光口通過反射聚焦裝置與MEMS微懸臂梁的黑硅材料層光路連接，所述探測激光器的輸出端與MEMS微懸臂梁的金屬材料層光路連接，所述位置敏感探測器設置在金屬材料層的反射光路上，所述光束調制裝置和位置敏感探測器的輸出端與鎖相放大器的輸入端連接，所述鎖相放大器的輸出端與中央處理器的輸入端連接。

2.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：該系統還包括光束整形裝置，所述光束整形裝置設置在泵浦激光器與光束調制裝置之間的光路上。

3.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：該系統還包括前置信號預處理裝置，其輸入端與位置敏感探測器的輸出端連接，其輸出端與鎖相放大器的輸入端連接；所述前置信號預處理裝置包括前置放大器和濾波器。

4.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：該系統還包括泵浦激光器控制裝置，所述泵浦激光器控制裝置的輸出端與泵浦激光器的輸入端連接。

5.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：所述泵浦激光器選用可調諧激光器或超連續激光器。

6.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：所述光程池內設有第一反射鏡和第二反射鏡。

7.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：所述反射聚焦裝置由第一凹面鏡和第二凹面鏡組成。

8.根據權利要求1所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，其特征在于：所述黑硅材料層由若干個微錐體結構排列構成。

9.根據權利要求1所述的一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統的測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

（1）泵浦激光器發出的泵浦激光束經由光束調制裝置調制后進入光程池，在光程池中進行多次反射；

（2）經光程池中的被測氣體樣品吸收后，從光程池出射的剩余的泵浦激光束通過反射聚焦裝置反射聚焦到MEMS微懸臂梁的黑硅材料層上，MEMS微懸臂梁吸收泵浦激光束能量后產生諧振；

（3）探測激光器發出的探測激光束入射到MEMS微懸臂梁的金屬材料層上，位置敏感探測器對從金屬材料層反射的探測激光束進行檢測，產生交流光電流信號；

（4）交流光電流信號經過預處理后進入鎖相放大器，同時光束調制裝置的頻率信號也輸入到鎖相放大器中，鎖相放大器將交流光電流信號解調為光熱信號；

（5）中央處理器將光熱信號轉換為被測氣體樣品的吸收信號；

（6）調節泵浦激光器的波長，重復上述步驟，得到被測氣體樣品在一定波長范圍內的吸收光譜。