[發明專利]一種光纖拉曼光譜氣體分析裝置

在審

• 申請號: 202010367086.7
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111413321A
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 白玉思;熊東升;左都羅;王新兵
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/01
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種光纖拉曼光譜氣體分析裝置，屬于氣體分析技術領域，該裝置包括：激光器、光束耦合裝置、氣體樣品室、準直分束裝置和光電成像接收裝置；光束耦合裝置將激光耦合進氣體樣品室中；激光與空芯光纖纖芯中的待測氣體作用產生拉曼散射；準直分束裝置將混合光束準直后分離出激光，將只含散射信號的光束輸送至光電成像接收裝置；光電成像接收裝置對前向散射信號進行數字空間濾波，獲得待測氣體的拉曼光譜。本發明通過在空芯光纖中將待測氣體與激光作用產生增強的拉曼散射信號，利用光電成像接收裝置收集前向信號，并實施數字空間濾波，降低氣體樣品室的背景信號，解決了拉曼氣體分析中微量成分檢測困難的問題，提高了系統檢測的靈敏度。

技術領域

本發明屬于氣體分析檢測技術領域，更具體地，涉及一種光纖拉曼光譜氣體分析裝置。

背景技術

激發光被分子散射，并且散射光頻率發生改變的現象被稱為拉曼散射。當激發光強度較弱時，散射光強度與激發光強度、散射分子數量成正比，這種拉曼散射常稱為線性拉曼散射或自發拉曼散射，信號強度與散射分子數量的線性相關性，使得拉曼散射被廣泛用于化學分析。由于氣體的拉曼截面和分子數密度相對較小，拉曼散射的強度十分微弱，基于拉曼光譜的氣體檢測受到了限制，提高氣體信號的強度顯得尤為重要。近年來氣體拉曼檢測的研發致力于提高裝置的檢測靈敏度，增加其應用范圍，其中的主要手段包括增強拉曼信號、降低信號背景。對于氣體檢測，目前增強信號的主要技術方法有空芯光纖增強，共振腔增強和多光程增強等多種形式。其中，空芯光纖既充當樣品氣室，又能夠顯著增加拉曼散射信號，具有很高的應用價值。

在光纖增強的拉曼光譜技術中，光纖的選擇對信號背景和信噪比的高低有很大影響，目前已發表的結果大多數采用帶隙型空芯光子晶體光纖或內鍍金屬的毛細管，但是前者由于芯徑小氣體流通慢，且小而密的包層孔洞容易滯留氣體，不利于氣體的快速更新；后者的傳輸損耗高，泄漏到玻璃包層的激發光同樣會帶來熒光和二氧化硅拉曼背景。尋找更為合適的空芯光纖，是一個工作重點。

一種基于空芯光子晶體光纖與拉曼光譜的人體呼吸物檢測方法(專利號CN107421942A)將光纖增強與腔增強技術結合，在空芯光纖的兩端設置光纖布拉格光柵形成諧振腔，入射光在光纖中來回振蕩，增加了參與拉曼散射作用的分子數量，從而提高氣體信號的強度，但是不完美的耦合也會導致熒光和二氧化硅拉曼背景的增加。空芯光纖SERS探針制備方法及有害氣體檢測系統(專利號CN109239050A)將光纖增強與表面增強拉曼光譜技術結合，在空芯光纖的纖芯內表面組裝金銀納米顆粒，或者將制作好的金屬納米顆粒與待測樣品均勻混合后進行拉曼檢測，形成懸浮型金屬納米顆粒基底，信號能夠大幅度提高，但是納米顆粒的制備成本高昂，且納米顆粒表面的任何污染(如上一次氣體測量產生的吸附)都會影響測量的準確性，不適用于重復在線檢測。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種光纖拉曼光譜氣體分析裝置，由此解決氣體分析系統信號背景高，分析靈敏度低的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種光纖拉曼光譜氣體分析裝置，所述裝置包括：激光器、光束耦合裝置、氣體樣品室、準直分束裝置和光電成像接收裝置；

所述光束耦合裝置用于將所述激光器發出的激光耦合進入所述氣體樣品室中；

所述氣體樣品室用于將耦合后的所述激光與所述氣體樣品室的空芯光纖纖芯中的待測氣體分子作用產生拉曼散射，并將前向散射信號與所述激光的混合光束輸送至所述準直分束裝置；

所述準直分束裝置用于將所述混合光束準直后分離出所述混合光束中的激光，并將只含所述前向散射信號的光束輸送至所述光電成像接收裝置；

所述光電成像接收裝置用于收集所述前向散射信號，并對所述前向散射信號進行數字空間濾波，獲得待測氣體的拉曼光譜。