一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，將腔增強(qiáng)技術(shù)與激光拉曼檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，采用光學(xué)行波無源腔，由單一曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成高精細(xì)度腔，利用激光器出射光束斜入射腔增強(qiáng)原理，是的光束在腔內(nèi)多次反射以行波形式傳播，激光束經(jīng)過區(qū)域中的被測(cè)氣體發(fā)生拉曼散射，拉曼散射光經(jīng)濾波片和光束會(huì)聚后，被光電檢測(cè)部件收集，光電檢測(cè)部件檢測(cè)被測(cè)氣體的特征拉曼頻移和對(duì)應(yīng)拉曼峰強(qiáng)度，得到被測(cè)氣體濃度。裝置整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械定位要求低，穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，同時(shí)提高了檢測(cè)裝置的抗干擾性；可實(shí)時(shí)在線進(jìn)行測(cè)量，提高過程的動(dòng)態(tài)信息，可以測(cè)量除了惰性氣體外幾乎所有氣體的濃度；靈敏度高；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間快。
【專利說明】 一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體濃度檢測(cè)，特別涉及一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]痕量氣體檢測(cè)需求廣泛存在于環(huán)境分析、資源勘探、食品安全、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、工業(yè)過程控制、國(guó)防安全等許多領(lǐng)域，并且這些領(lǐng)域?qū)哿繗怏w檢測(cè)的靈敏度要求也越來越高。高精細(xì)度腔吸收光譜技術(shù)由于具有檢測(cè)靈敏度高，多用來分析痕量氣體濃度和組分，成為痕量物質(zhì)測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，得到了廣泛的關(guān)注。
[0003]在先技術(shù)中，有一種高精細(xì)度腔光譜分析系統(tǒng)(參見美國(guó)專利“Cavity ring downarrangement for non-cavity filing samples，，，專利號(hào):US6, 452，680 BI)。該高精細(xì)度腔光譜分析系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在一些不足:1)采用線型精細(xì)度腔結(jié)構(gòu)，激光在高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)駐波，導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均，以及光束入射端腔鏡的反射光易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾；2)來測(cè)試分析流體物質(zhì)；3)激光束入射和出射樣品池時(shí)，均要以布魯斯特角入射和出射，這樣就增加了樣品池機(jī)械定位要求和光束方向控制精度要求；4)高精細(xì)度腔有兩個(gè)或多個(gè)高反射率反射鏡光學(xué)元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0004]在先技術(shù)中，也存在基于拉曼效應(yīng)的腔增強(qiáng)的痕量氣體檢測(cè)裝置，參見美國(guó)Atmosphere Recovery公司的激光氣體分析儀產(chǎn)品，以及中國(guó)實(shí)用新型專利，專利名稱:一種錄井用拉曼光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，專利號(hào):ZL201120284529.2，這種激光激光氣體分析儀具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是，也存在一些不足:1)同樣采用線型精細(xì)度腔結(jié)構(gòu)，激光在高精細(xì)度腔內(nèi)形成光學(xué)駐波，導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均，以及光束入射端腔鏡的反射光易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾；2)由于采用有源腔結(jié)構(gòu)，即激光工作介質(zhì)和氣體室均在諧振腔內(nèi)部，這樣增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了裝置抗干擾性，影響裝置現(xiàn)場(chǎng)使用適應(yīng)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對(duì)痕量氣體檢測(cè)裝置存在的問題，提出了一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、檢測(cè)時(shí)抗干擾性強(qiáng)、同時(shí)檢測(cè)多種氣體、靈敏度高、響應(yīng)速度快、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力、維護(hù)容易等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，包括激光光源、曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔、光束會(huì)聚元件、濾光片、光電檢測(cè)部件、反射鏡，光電檢測(cè)部件、濾光片、光束會(huì)聚元件、曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔、反射鏡依次同軸對(duì)稱放置，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔為由曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成的單一的高精度腔，高精細(xì)度腔的內(nèi)壁反射層的反射率大于98%，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔在對(duì)稱軸的兩側(cè)對(duì)稱開相同大小的輸出口，一側(cè)輸出口邊設(shè)置有光束會(huì)聚兀件，另一側(cè)輸出口設(shè)置比輸出口大的反射鏡，被檢測(cè)氣體置于曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔體中心區(qū)域，激光光源出射光束經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔的透光孔斜入射到曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔中，在曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔中形成行波進(jìn)行傳輸，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔內(nèi)的被檢測(cè)區(qū)域氣體受到激光光束行波激發(fā)，發(fā)射出拉曼光，拉曼光一部分經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔輸出口，再經(jīng)過光束會(huì)聚元件、濾波片將光束會(huì)聚后，被光電檢測(cè)部件收集，另一部分通過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔另一輸出口反射鏡反射后，同樣依次經(jīng)過光束會(huì)聚元件、濾光片，聚焦到光電檢測(cè)部件，最終被光電檢測(cè)部件收集。
[0007]所述曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔為球面凹面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔或輪胎形環(huán)形凹面反射鏡高精細(xì)度腔。
[0008]所述曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔上的透光孔為未鍍有反射膜的圓形通孔。
[0009]所述濾光片對(duì)激光光源出射光束為低透過率，透過率小于5%，濾光片對(duì)被檢測(cè)氣體激光拉曼光為高透過率，透過率大于95%。
[0010]所述激光光源為氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、生物激光器、光流體激光器其中的一種。
[0011]所述光束會(huì)聚元件為復(fù)合球面透鏡、非球面透鏡、會(huì)聚反射鏡其中的一種。
[0012]所述光電檢測(cè)部是單傳感元光電探測(cè)器組、單色儀、線陣光電傳感器光譜儀其中的一種。
[0013]所述所述的反射鏡為平面反射鏡、凹面反射鏡、回返棱鏡其中的一種。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，裝置中高精細(xì)度腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只由一個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成光學(xué)行波高精細(xì)度腔，內(nèi)部形成光場(chǎng)行波，光強(qiáng)分布均勻，光束入射端腔鏡的反射光不易對(duì)激光器產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械定位要求低；將腔增強(qiáng)技術(shù)與激光拉曼檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，采用無源腔，將激光器設(shè)置在外側(cè)，利用激光斜入射腔增強(qiáng)原理，避免了常規(guī)紅外腔增強(qiáng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)，也沒有有源腔拉曼氣體分析裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，同時(shí)提高了檢測(cè)裝置的抗干擾性；裝置具有拉曼氣體檢測(cè)和高精細(xì)度強(qiáng)檢測(cè)的多重特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)在線進(jìn)行測(cè)量，提高過程的動(dòng)態(tài)信息，以利于進(jìn)行最佳控制；多點(diǎn)測(cè)量，一般可以測(cè)試幾十種氣體，可以對(duì)全程進(jìn)行分析和監(jiān)控；可以測(cè)量除了惰性氣體外幾乎所有氣體的濃度；靈敏度高；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間快；容易使用，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)容易；本裝置同時(shí)采用了側(cè)面反射鏡反射背向探測(cè)方向傳播的拉曼光束，使這部分拉曼也可以被光電檢測(cè)部件檢測(cè)接收，增加了收集到的光強(qiáng)，進(jìn)一步提高了氣體含量檢測(cè)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置中曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔剖視圖內(nèi)光束行波傳播形式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明將腔增強(qiáng)技術(shù)與激光拉曼檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，采用光學(xué)行波無源腔，由單一曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成高精細(xì)度腔，利用激光器出射光束斜入射腔增強(qiáng)原理，是的光束在腔內(nèi)多次反射以行波形式傳播，激光束經(jīng)過區(qū)域中的被測(cè)氣體發(fā)生拉曼散射，拉曼散射光經(jīng)濾波片和光束會(huì)聚后，被光電檢測(cè)部件收集，光電檢測(cè)部件檢測(cè)被測(cè)氣體的特征拉曼頻移和對(duì)應(yīng)拉曼峰強(qiáng)度，得到被測(cè)氣體濃度。
[0017]如圖1所示光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，裝置包括:激光光源1、曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2、光束會(huì)聚元件3、濾光片4、光電檢測(cè)部件5、反射鏡6。曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2、光束會(huì)聚元件3、濾光片4、光電檢測(cè)部件5和反射鏡6的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸相重合，構(gòu)成裝置對(duì)稱軸0102 ;激光光源I出射光束經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2的透光孔201斜入射到曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2中，在曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2中形成行波進(jìn)行傳輸，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2是由曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成的單一的高精度腔，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成高精細(xì)度腔2的內(nèi)壁反射層的反射率大于98% ；曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2內(nèi)的被檢測(cè)區(qū)域8氣體受到激光光束行波激發(fā)，發(fā)射出拉曼光；曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2在對(duì)稱軸0102的兩側(cè)對(duì)稱開相同大小的輸出口，一側(cè)輸出口依次設(shè)置有光束會(huì)聚元件3、濾光片4、光電檢測(cè)部件5 ;另一側(cè)輸出口設(shè)置比輸出口大的反射鏡6。濾光片4對(duì)激光光源出射光束為低透過率的，透過率小于5%，濾光片4對(duì)被檢測(cè)氣體激光拉曼光為高透過率的，透過率大于95%。
[0018]曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔為球面凹面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔和輪胎形環(huán)形凹面反射鏡高精細(xì)度腔其中的一種。曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔上的透光孔為未鍍有反射膜的圓形通孔。
[0019]激光光源為氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、生物激光器、光流體激光器其中的一種。
[0020]光束會(huì)聚元件為復(fù)合球面透鏡、非球面透鏡、會(huì)聚反射鏡其中的一種。
[0021]光電檢測(cè)部是單傳感元光電探測(cè)器組、單色儀、線陣光電傳感器光譜儀其中的一種。
[0022]所述的反射鏡為平面反射鏡、凹面反射鏡、回返棱鏡其中的一種。
[0023]激光光源I采用LD泵浦固體激光光源，激光出I射光束直徑為I毫米，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2為球面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔，光束會(huì)聚元件3為復(fù)消色差的復(fù)合球面透鏡組，濾光片4對(duì)激光光源出射光束透過率為2%，濾光片4對(duì)被檢測(cè)氣體激光拉曼光為透過率為99%。光電檢測(cè)部5采用光譜儀。反射鏡6為凹面反射鏡。
[0024]本發(fā)明實(shí)施例的工作過程為:激光光源I出射光束經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2的透光孔201斜入射到曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2中，在曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2中形成行波進(jìn)行傳輸，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2是由曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成的單一的高精度腔，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2內(nèi)的被檢測(cè)區(qū)域8氣體受到激光光束行波激發(fā)出拉曼光，一部分經(jīng)過光束會(huì)聚元件、濾波片將光束會(huì)聚后，被光電檢測(cè)部件收集，另一部分通過反射鏡6反射，同樣依次經(jīng)過光束會(huì)聚元件3、濾光片4，聚焦到光電檢測(cè)部件5，最終被光電檢測(cè)部件收集。
[0025]圖2為本發(fā)明中曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔剖視圖內(nèi)光束行波傳播形式示意圖，透光孔201斜入射到曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔2內(nèi)的光在腔體中可形成閉環(huán)的傳播。激光在腔體中行成閉合光路，可提高拉曼散射光的強(qiáng)度和靈敏度。
[0026]本發(fā)明中拉曼光譜原理以及光電檢測(cè)部件檢測(cè)特征拉曼譜線頻移和強(qiáng)度分析物質(zhì)含量的技術(shù)均為成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于將腔增強(qiáng)技術(shù)與激光拉曼檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，采用無源腔，利用激光器出射光束斜入射腔增強(qiáng)原理，給出一個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可 靠性高、同時(shí)檢測(cè)多種氣體、靈敏度高的腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，包括激光光源、曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔、光束會(huì)聚元件、濾光片、光電檢測(cè)部件、反射鏡，光電檢測(cè)部件、濾光片、光束會(huì)聚元件、曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔、反射鏡依次同軸對(duì)稱放置，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔為由曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡構(gòu)成的單一的高精度腔，高精細(xì)度腔的內(nèi)壁反射層的反射率大于98%，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔在對(duì)稱軸的兩側(cè)對(duì)稱開相同大小的輸出口，一側(cè)輸出口邊設(shè)置有光束會(huì)聚元件，另一側(cè)輸出口設(shè)置比輸出口大的反射鏡，被檢測(cè)氣體置于曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔體中心區(qū)域，激光光源出射光束經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔的透光孔斜入射到曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔中，在曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔中形成行波進(jìn)行傳輸，曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔內(nèi)的被檢測(cè)區(qū)域氣體受到激光光束行波激發(fā)，發(fā)射出拉曼光，拉曼光一部分經(jīng)過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔輸出口，再經(jīng)過光束會(huì)聚元件、濾波片將光束會(huì)聚后，被光電檢測(cè)部件收集，另一部分通過曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔另一輸出口反射鏡反射后，同樣依次經(jīng)過光束會(huì)聚元件、濾光片，聚焦到光電檢測(cè)部件，最終被光電檢測(cè)部件收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔為球面凹面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔或輪胎形環(huán)形凹面反射鏡高精細(xì)度腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述曲面環(huán)形內(nèi)反射鏡高精細(xì)度腔上的透光孔為未鍍有反射膜的圓形通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述濾光片對(duì)激光光源出射光束為低透過率，透過率小于5%，濾光片對(duì)被檢測(cè)氣體激光拉曼光為高透過率，透過率大于95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述激光光源為氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、生物激光器、光流體激光器其中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光束會(huì)聚元件為復(fù)合球面透鏡、非球面透鏡、會(huì)聚反射鏡其中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光電檢測(cè)部是單傳感元光電探測(cè)器組、單色儀、線陣光電傳感器光譜儀其中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)行波腔增強(qiáng)激光拉曼氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述所述的反射鏡為平面反射鏡、凹面反射鏡、回返棱鏡其中的一種。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK103837520SQ201410074484
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】張大偉, 王文, 高秀敏, 黃元申, 張雷洪 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)