[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

本公開提供了一種痕量氣體探測裝置，包括：激光器模塊；光學諧振腔，包括腔體和兩塊反射鏡，其中，腔體用于裝填含有痕量氣體的待測氣體，兩塊反射鏡垂直腔體的軸線放置于腔體的兩端；透鏡組，位于激光器模塊和光學諧振腔之間；光電探測模塊，用于接收光學諧振腔出射的光信號，并將光信號轉換為電信號；反饋控制模塊；光譜掃描控制模塊，用于產生掃描信號，并將掃描信號發送給光學諧振腔，以改變光學諧振腔的腔長，使光學諧振腔出射多個光信號；以及數據采集模塊，用于在光電探測模塊將多個光信號轉換為多個電信號后，接收多個電信號，并生成痕量氣體的分子吸收光譜。此外，本公開還提供了一種使用該裝置進行的痕量氣體探測的方法。

技術領域

本公開涉及激光測量技術領域，更具體地，涉及一種痕量氣體探測裝置及方法。

背景技術

痕量氣體是指大氣中含量在百萬分之一以下的氣體，目前常使用激光光譜法進行痕量氣體的探測，其中，分子雙共振吸收光譜技術通過探測分子在不同激發態之間躍遷時的吸收光譜信號，實現零背景、高靈敏度、高分辨探測。

然而由于分子的近紅外振轉躍遷矩很小，在常溫環境下，現有技術中常用的連續波半導體激光器的激光功率無法滿足使分子躍遷飽和的需求。同時，為了增強分子的飽和效應，現有技術需要10Pa以下的低壓測量環境，對測量靈敏度提出了更高的要求。

在實現本公開的過程發現，現有的分子吸收光譜設備或方法在常壓下測得的吸收信號的強度較差，測量靈敏度較低，分辨率較低。

發明內容

有鑒于此，本公開提供了一種痕量氣體探測裝置及方法。

本公開的一方面提供了一種痕量氣體探測裝置，包括：激光器模塊、光學諧振腔、透鏡組、光電探測模塊、反饋控制模塊、光譜掃描控制模塊和數據采集模塊。其中，上述激光器模塊用于產生第一激光信號和第二激光信號；上述光學諧振腔包括腔體和兩塊反射鏡，其中，上述腔體用于裝填含有痕量氣體的待測氣體，上述兩塊反射鏡垂直上述腔體的軸線放置于上述腔體的兩端；上述透鏡組位于上述激光器模塊和上述光學諧振腔之間，用于將上述第一激光信號和上述第二激光信號耦合到上述光學諧振腔中；上述光電探測模塊用于接收上述光學諧振腔出射的光信號，并將上述光信號轉換為電信號；上述反饋控制模塊用于響應上述電信號，調節上述第一激光信號和上述第二激光信號的頻率；上述光譜掃描控制模塊用于產生掃描信號，并將上述掃描信號發送給上述光學諧振腔，以改變上述光學諧振腔的腔長，使上述光學諧振腔出射多個上述光信號；上述數據采集模塊用于在上述光電探測模塊將多個上述光信號轉換為多個上述電信號后，接收多個上述電信號，并生成上述痕量氣體的分子吸收光譜。

根據本公開的實施例，上述激光器模塊包括第一激光器和第二激光器。其中，上述第一激光器用于發射上述第一激光信號，上述第一激光信號用于將上述痕量氣體分子從基態激發到第一激發態；上述第二激光器用于發射上述第二激光信號，上述第二激光信號用于將上述痕量氣體分子從上述第一激發態激發到第二激發態。

根據本公開的實施例，上述第一激光信號的頻率和上述第一激光信號的頻率不同。

根據本公開的實施例，上述反射鏡包括第一端面和第二端面。其中，兩個上述反射鏡的第一端面相對設置，兩個上述反射鏡的第一端面與上述腔體構成上述光學諧振腔，兩個上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上述第一激光信號和上述第二激光信號，使上述痕量氣體的分子躍遷產生躍遷吸收信號；兩個上述反射鏡的第二端面鍍有增透膜層，所述增透膜層用于使上述躍遷吸收信號中的上述痕量氣體分子從上述第一激發態激發到上述第二激發態時的吸收信號通過上述第二端面，形成光信號。

根據本公開的實施例，上述光學諧振腔還包括驅動裝置，上述驅動裝置固定在其中一塊上述反射鏡上，用于響應上述掃描信號，推動上述反射鏡沿上述腔體的軸線方向運動，以改變上述光學諧振腔的上述腔長。