[實用新型]基于兩種量子級聯激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置

有效

• 申請號: 201520638006.1
• 申請日: 2015-08-20
• 公開（公告）號: CN204924934U
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: 李勁松;鄧昊;俞本立
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/01
• 代理公司: 無錫市匯誠永信專利代理事務所(普通合伙) 32260
• 代理人: 葉勇

技術領域

本實用新型涉及激光光譜檢測和氣體檢測技術領域，具體為一種基于兩種量子級聯激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置。

背景技術

傳統的氣體成分檢測方法主要有化學方法和光學方法。化學方法通常需要對待分析物進行預處理，過程復雜、耗時，易破壞樣品的原狀態及產生二次污染物；光學光譜方法具有非接觸性、非破壞、選擇性強和響應快等優點，可實現實時原位的連續分析，使得其被廣泛地應用于大氣環境監測、工業處理控制、燃燒成分檢測和呼吸氣體診斷等領域。

常用的光學光譜方法有直接吸收光譜法和波長調制光譜法。直接吸收光譜法是一種基于朗伯-比爾定律的直接檢測方法，該方法通過分析光強的微弱變化量，即可反演出被檢測樣品的濃度、速度、溫度等信息，但存在易受各種電子學和光學噪聲干擾、靈敏度有限等缺點。波長調制光譜是結合鎖相檢測原理，實現抑制噪聲的高靈敏度間接檢測方法，但需要通過已知濃度樣品校正后(標氣校正)，才能獲取其他未知樣品的濃度信息，較為復雜。

中紅外光譜區(2.5-25μm)包含了大多數氣體分子振轉能級的基頻帶，成為高靈敏度痕量氣體檢測的理想波段。量子級聯激光器(QCL)作為一種新型的半導體激光，具有體積小、壽命長、功耗低、線寬窄、功率相對較高和易于集成的特點，已成為中紅外痕量氣體傳感器研究的理想光源。QCL的寬波長調諧范圍和快速響應特性可實現對多種氣體分子的同時高分辨率、高靈敏度檢測。相比于傳統的基于多個近紅外激光器分時掃描的激光時分多路探測技術才能實現多種氣體同時分析的方法，系統更緊湊，有效測量周期更高。

現有的研究中，利用量子級聯激光器作為光源，單獨采用直接吸收光譜法或波長調制光譜法進行氣體檢測都已得到實際應用，如：中國專利公開號分別為CN102175641A和CN104596987A的發明專利。前者公開了一種基于中外紅量子級聯激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置及方法，該方法利用脈沖量子級聯激光器作為光源，單獨采用直接吸收光譜法，存在易受各種電子學和光學噪聲干擾、靈敏度有限、氣體濃度反演方法可靠性和測量精度低等缺點；后者公開了一種基于中紅外光譜的長光程開放光路結合波長調制技術的痕量氣體探測方法和裝置，該方法利用連續量子級聯激光器作為光源，單獨采用波長調制光譜法，存在需要額外標氣頻繁校正、高壓下壓力加寬效應降低靈敏度和可靠性等缺點。

實際應用中上述兩種傳統方法都不夠理想。本實用新型擬采用同時利用直接吸收光譜法和波長調制光譜法對氣體進行檢測，此種方法能夠克服只采用一種光譜方法進行氣體檢測時所存在的缺陷，到目前為止，尚未發現任何關于同時采用上述兩種基于量子級聯激光光譜方法對單一成分氣體或者多組分氣體進行檢測的研究。

實用新型內容

針對現有技術中的問題，本實用新型提供一種以室溫下工作的連續模式中紅外量子級聯激光器作為光源，同時利用直接吸收光譜法和波長調制光譜法，無需外界標氣校正、高靈敏度、高精度的氣體檢測裝置。

為實現以上技術目的,本實用新型的技術方案是：

基于兩種量子級聯激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置，包括任意波函數發生器、室溫連續模式中紅外量子級聯激光器、聚焦準直三維調節系統、第一反射鏡、樣品吸收池、離軸拋物面鏡、第一探測器、數據采集單元和計算機，所述室溫連續模式中紅外量子級聯激光器具有溫度控制單元和電流控制單元；

所述任意波函數發生器輸出只在任意半周期內疊加調制信號的周期性信號作為室溫連續模式中紅外量子級聯激光器的電流驅動信號，所述電流驅動信號通過電流控制單元對室溫連續模式中紅外量子級聯激光器的注入電流進行驅動；

所述室溫連續模式中紅外量子級聯激光器作為光源發出激光信號；

所述聚焦準直三維調節系統對激光信號進行聚焦準直；

所述第一反射鏡將聚焦準直后的激光信號耦合到樣品吸收池；

所述樣品吸收池充有待測氣體，所述激光信號在樣品吸收池內被氣體分子吸收后出射到離軸拋物面鏡；

所述離軸拋物面鏡將激光信號聚集到第一探測器；

所述第一探測器將接收到的激光信號通過數據采集單元轉化為電信號并傳輸給計算機；

所述計算機對電信號進行分析處理得出待測氣體信息。