[發明專利]痕量氣體探測裝置及方法

有效

• 申請號: 202110011017.7
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112683846B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 胡水明;王進
• 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;G01N21/01
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 鄢功軍

1.一種痕量氣體探測裝置，包括：

激光器模塊，用于產生第一激光信號和第二激光信號；

光學諧振腔，包括腔體和兩塊反射鏡，其中，所述腔體用于裝填含有痕量氣體的待測氣體，所述兩塊反射鏡垂直所述腔體的軸線放置于所述腔體的兩端；

透鏡組，位于所述激光器模塊和所述光學諧振腔之間，用于將所述第一激光信號和所述第二激光信號耦合到所述光學諧振腔中；

光電探測模塊，用于接收所述光學諧振腔出射的光信號，并將所述光信號轉換為電信號；

反饋控制模塊，用于響應所述電信號，調節所述第一激光信號和所述第二激光信號的頻率；

光譜掃描控制模塊，用于產生掃描信號，并將所述掃描信號發送給所述光學諧振腔，以改變所述光學諧振腔的腔長，使所述光學諧振腔出射多個所述光信號；以及

數據采集模塊，用于在所述光電探測模塊將多個所述光信號轉換為多個所述電信號后，接收多個所述電信號，并生成所述痕量氣體的分子吸收光譜；

其中，所述激光器模塊包括：

第一激光器，用于發射所述第一激光信號，所述第一激光信號用于將所述痕量氣體的分子從基態激發到第一激發態；以及

第二激光器，用于發射所述第二激光信號，所述第二激光信號用于將所述痕量氣體的分子從所述第一激發態激發到第二激發態；

其中，所述反射鏡包括第一端面和第二端面，其中，兩個所述第二端面分別被配置為面向所述透鏡組和所述光電探測模塊，兩個第二端面鍍有增透膜層，所述增透膜層用于使躍遷吸收信號中的所述痕量氣體的分子從所述第一激發態激發到所述第二激發態時的吸收信號通過所述第二端面，形成光信號。

2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述第一激光信號的頻率和所述第二激光信號的頻率不同。

3.根據權利要求1所述的裝置，其中，兩個所述反射鏡的第一端面相對設置，兩個所述反射鏡的第一端面與所述腔體構成所述光學諧振腔，兩個所述反射鏡的第一端面鍍有反射膜層，所述反射膜層用于反射所述第一激光信號和所述第二激光信號，使所述痕量氣體的分子躍遷產生躍遷吸收信號。

4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光學諧振腔還包括：

驅動裝置，固定在其中一塊所述反射鏡上，用于響應所述掃描信號，推動所述反射鏡沿所述腔體的軸線方向運動，以改變所述光學諧振腔的所述腔長。

5.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述反饋控制模塊包括：

射頻信號源，用于產生射頻信號，并使用所述射頻信號調制所述電信號，得到射頻調制信號；

檢相模塊，用于解調所述射頻調制信號為誤差信號；

比例積分微分放大模塊，用于將所述誤差信號轉換為所述反饋信號，并將所述反饋信號發送給激光頻率調制器；以及

激光頻率調制器，用于響應反饋信號調節所述第一激光信號的頻率和所述第二激光信號的頻率。

6.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述數據采集模塊還包括：

根據所述痕量氣體的分子吸收光譜計算得到所述痕量氣體的濃度，其中，所述痕量氣體的分子吸收光譜的譜線面積與所述痕量氣體的濃度線性相關。

7.一種利用權利要求1至6中任一項所述的痕量氣體探測裝置進行痕量氣體探測的方法，包括：

將含有痕量氣體的待測氣體填充入光學諧振腔中；

使用激光器模塊發射兩個不同頻率的激光信號，并通過透鏡組耦合進所述光學諧振腔中；

使用光電探測模塊接收所述光學諧振腔出射的光信號，將所述光信號轉換為電信號，并將所述電信號分別發送給反饋控制模塊和數據采集模塊；

通過所述反饋控制模塊根據所述電信號調節所述激光器模塊發射的所述兩個激光信號的頻率；

通過光譜掃描控制模塊改變所述光學諧振腔的腔長，使所述光學諧振腔出射多個光信號；

使用所述光電探測模塊接收所述多個光信號并轉換為多個電信號；以及

使用所述數據采集模塊采集所述多個電信號，生成所述痕量氣體的分子吸收光譜；

其中，所述兩個不同頻率的激光信號包括用于將所述痕量氣體的分子從基態激發到第一激發態的第一激光信號，和用于將所述痕量氣體的分子從所述第一激發態激發到第二激發態的第二激光信號；

其中，所述光學諧振腔包括腔體和兩塊反射鏡，所述反射鏡包括第一端面和第二端面，其中，兩個所述第二端面分別被配置為面向所述透鏡組和所述光電探測模塊，兩個第二端面鍍有增透膜層，所述增透膜層用于使躍遷吸收信號中的所述痕量氣體的分子從所述第一激發態激發到所述第二激發態時的吸收信號通過所述第二端面，形成光信號。