[發(fā)明專利]基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)裝置和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710174184.7
• 申請(qǐng)日: 2017-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106802288B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李紅蓮;方立德;李小亭;李飛超;吳瓊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39;G01N21/359;G01N21/3504
• 代理公司: 石家莊國(guó)域?qū)＠虡?biāo)事務(wù)所有限公司 13112
• 代理人: 胡素梅;胡澎

本發(fā)明提供了一種基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)裝置和方法。所述裝置包括激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、光路與氣路機(jī)構(gòu)、檢測(cè)接收與處理機(jī)構(gòu)；激光發(fā)射機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生激光，且所產(chǎn)生的激光為可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光耦合后的激光；光路與氣路機(jī)構(gòu)用于使激光發(fā)射機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的激光按照預(yù)期的軌跡進(jìn)行反射、吸收；檢測(cè)接收與處理機(jī)構(gòu)用于接收光路與氣路機(jī)構(gòu)輸出的信號(hào)，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，以得出待測(cè)氣體的種類和濃度。本發(fā)明首次將可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光同時(shí)作為氣體檢測(cè)裝置的光源，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率、超低濃度的氣體快速檢測(cè)要求，可為研究空氣中災(zāi)害性污染的痕量氣體成分監(jiān)測(cè)和形成機(jī)理等提供獨(dú)特的技術(shù)手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)裝置和方法。

背景技術(shù)

氣體檢測(cè)方法大體包括兩類：傳統(tǒng)的化學(xué)方法和現(xiàn)代光譜學(xué)方法。傳統(tǒng)的化學(xué)方法具有測(cè)量手段直接、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是它需要對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行預(yù)先取樣，操作繁瑣、不具有時(shí)效性；現(xiàn)代光譜學(xué)方法作為一種光學(xué)檢測(cè)手段，它具有選擇性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境檢測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越為廣泛。

吸收光譜法作為一種光學(xué)檢測(cè)方法，其基本原理是光束通過(guò)待測(cè)氣體后，經(jīng)其吸收作用使光強(qiáng)減弱，根據(jù)吸收光強(qiáng)多少可以完成氣體的定量分析。自20世紀(jì)60年代激光技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，由于激光具有很好的單色性、相干性和高亮性，激光吸收光譜技術(shù)以其不可替代的優(yōu)勢(shì)在光譜分析中占據(jù)重要地位。與傳統(tǒng)吸收光譜相比，激光吸收光譜技術(shù)的分辨率和靈敏度可大大高于傳統(tǒng)的光譜方法，同時(shí)，它能夠在測(cè)量光譜的同時(shí)完成光譜波長(zhǎng)的高精度定標(biāo)。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy）與其它吸收光譜技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：探測(cè)靈敏度高、一般可以達(dá)到ppb-ppt量級(jí)，能夠滿足大氣中痕量氣體監(jiān)測(cè)的要求；其次，由于分子光譜的“指紋”特征，它們的選擇性很強(qiáng)，利用二極管激光有很高光譜分辨率和可調(diào)諧性的特點(diǎn)，能夠把待測(cè)分子與背景的干擾區(qū)分開(kāi)來(lái)，避免了光譜交叉干擾；再者，它們探測(cè)的范圍廣，響應(yīng)時(shí)間快，非常適合于大范圍（大尺度）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但受其最主要部件——二極管激光器的限制，TDLAS技術(shù)仍存在許多問(wèn)題需要解決。一是二極管激光器的調(diào)諧范圍較窄，因此單一激光器測(cè)量氣體種類較為單一；二是溫度變化對(duì)調(diào)諧波長(zhǎng)穩(wěn)定性影響較大，所以需要對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行高精度控制；另外，單縱模輸出、高功率的激光器等還有待進(jìn)一步的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一就是提供一種基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不必對(duì)其測(cè)量溫度進(jìn)行高精度控制，且能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的快速、精確檢測(cè)。

本發(fā)明的目的之二就是提供一種基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)方法，該方法是基于吸收光譜法，采用可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光作為信號(hào)源，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中多組分痕量氣體同時(shí)進(jìn)行精確檢測(cè)的目的，以便為后期的環(huán)境檢測(cè)和保護(hù)提供高效、快速、準(zhǔn)確的測(cè)量方法。

本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于可調(diào)諧激光和超連續(xù)譜激光的氣體檢測(cè)裝置，包括激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、光路與氣路機(jī)構(gòu)、檢測(cè)接收與處理機(jī)構(gòu)。

所述激光發(fā)射機(jī)構(gòu)包括超連續(xù)譜激光器、光學(xué)濾波器、光闌、二極管激光器、激光驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、準(zhǔn)直器和光纖合波器；所述超連續(xù)譜激光器用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光，超連續(xù)譜激光依序經(jīng)所述光學(xué)濾波器和所述光闌后入射所述光纖合波器；所述激光驅(qū)動(dòng)器用于為所述二極管激光器提供工作所需溫度和電流，所述調(diào)制信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)并通過(guò)所述激光驅(qū)動(dòng)器控制所述二極管激光器輸出可調(diào)諧激光，所述二極管激光器輸出的可調(diào)諧激光經(jīng)所述準(zhǔn)直器后入射所述光纖合波器；所述光纖合波器用于將所述光闌輸出的超連續(xù)譜激光與所述準(zhǔn)直器輸出的可調(diào)諧激光合并為一束光并輸出；所述光纖合波器輸出的光束即為激光光源。

所述光路與氣路機(jī)構(gòu)用于使所述光纖合波器輸出的光束按照預(yù)期的軌跡進(jìn)行反射，且在反射過(guò)程中被待測(cè)氣體吸收部分能量。