一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备的制作方法

本实用新型涉及一种大气气溶胶消光系数测量设备，具体是一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备。

背景技术：

大气气溶胶是指悬浮于大气中的液体或固体微粒，通常微粒直径大小（空气动力学直径）在0.003-100μm之间。大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射影响地球大气能量的收支，从而影响气候变化，该效应称为气溶胶的直接辐射效应。气溶胶的直接辐射效应取决于气溶胶的光学特性，主要包括气溶胶对光的散射和吸收。而气溶胶的消光是气溶胶散射和吸收特性共同作用的结果，消光系数为散射和吸收系数之和。气溶胶消光系数的准确测量是开展气候辐射强迫研究的必要前提。同时，近年来我国灰霾天气日益增多，对大气能见度产生重要影响，而大气能见度与消光系数直接相关，因此有必要开展气溶胶消光系数研究。

传统对大气气溶胶消光系数的测量方法主要包括利用激光雷达仪器的探测，利用积分浊度计检测，利用基于薄膜方法的黑碳仪和煤烟颗粒吸收分光光度计检测等。激光雷达虽然有较高的空间分辨率，但此方法通常只适用于某种特定的气溶胶类型，对于时间尺度变化较快的气溶胶而言误差偏大，而且当大气中气溶胶浓度偏低时，检测灵敏度较低，此外该技术受天气和大气影响也比较大。积分浊度仪便携及成本适中，但是在高相对湿度环境中测量时，系统误差明显偏大，即使采用传统的修正因子修正后，由于截断误差较大，测量结果通常还是偏低。对于黑碳仪，虽然具有测量方法简单，价格低等优点，但由于测量方法受滤膜类型和特点的影响，收集到滤膜上的散射或吸收性的气溶胶会与滤膜相互影响，改变气溶胶的吸收性质，会导致吸收系数的高估。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，包括脉冲激光源、光学隔离器、透镜A、透镜B、反光镜、衰荡腔、被测气体出口、被测气体入口、隔离腔、高反射率腔镜、探测器、示波器、数据采集器、数据线、计算机、1/4波片、偏振分束棱镜和功率吸收池，所述脉冲激光源的激光发射方向设有光学隔离器，所述光学隔离器包括1/4波片、偏振分束棱镜和功率吸收池，在光学隔离器的一侧为透镜A和透镜B组成的透镜组，脉冲激光源发射的激光经过光学隔离器和透镜组之后由反光镜改变方向进入衰荡腔，在衰荡腔上存在被测气体出口和被测气体入口，且在衰荡腔的两端设有隔离腔，在隔离腔内均安装有高反射率腔镜，在衰荡腔的一侧方向上设有探测器，所述探测器与示波器连接，且探测器和示波器均与数据采集器连接，所述数据采集器又经数据线与计算机连接。

所述脉冲激光源定向发射波长为532 nm的脉冲激光，且激光的脉宽小于10 ns，重复频率小于1 Hz。

所述隔离腔上开有隔离气体输入口和隔离气体输出口，当测量设备启动时，向隔离腔内通入流动的隔离气体以充分起到隔离高反射率腔镜与外界气体的作用。

所述高反射率腔镜为平凹透镜，两个高反射率腔镜的凹面相对，且高反射率腔镜的反射率为99.999%。

所述探测器为光电倍增管，该光电倍增管同时与示波器和数据采集器相连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

腔衰荡光谱技术是一种新型光谱检测技术，其基于高反镜的多次反射特性，在较短的距离内可实现长达数千米甚至数十千米的等效光程，具有超高灵敏度和低检测限的优点，为气溶胶消光的测量提供了新型测量设备，本实用新型为基于腔衰荡光谱技术设计的大气气溶胶消光系数测量设备，其灵敏度可达到0.2 Mm^-1，远高于传统的消光系数的检测灵敏度。

附图说明

图1为基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备的结构示意图。

图2为基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备中光学隔离器的结构示意图。

图中：脉冲激光源1、光学隔离器2、透镜A3、透镜B4、反光镜5、衰荡腔6、被测气体出口7、被测气体入口8、隔离腔9、高反射率腔镜10、探测器11、示波器12、数据采集器13、数据线14、计算机15、1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～2，本实用新型实施例中，一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，包括脉冲激光源1、光学隔离器2、透镜A3、透镜B4、反光镜5、衰荡腔6、被测气体出口7、被测气体入口8、隔离腔9、高反射率腔镜10、探测器11、示波器12、数据采集器13、数据线14、计算机15、1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23，所述脉冲激光源1的激光发射方向设有光学隔离器2，所述光学隔离器2包括1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23，在光学隔离器2的一侧为透镜A3和透镜B4组成的透镜组，脉冲激光源1发射的激光经过光学隔离器2和透镜组之后由反光镜5改变方向进入衰荡腔6，在衰荡腔6上存在被测气体出口7和被测气体入口8，且在衰荡腔6的两端设有隔离腔9，在隔离腔9内均安装有高反射率腔镜10，在衰荡腔6的一侧方向上设有探测器11，所述探测器11与示波器12连接，且探测器11和示波器12均与数据采集器13连接，所述数据采集器13又经数据线14与计算机15连接。

所述脉冲激光源1定向发射波长为532 nm的脉冲激光，且激光的脉宽小于10 ns，重复频率小于1 Hz。

所述隔离腔9上开有隔离气体输入口和隔离气体输出口，当测量设备启动时，向隔离腔9内通入流动的隔离气体以充分起到隔离高反射率腔镜10与外界气体的作用。

所述高反射率腔镜10为平凹透镜，两个高反射率腔镜10的凹面相对，且高反射率腔镜10的反射率为99.999%。

所述探测器11为光电倍增管，该光电倍增管同时与示波器12和数据采集器13相连接。

本实用新型的工作原理是：

腔衰荡光谱（cavity ring-down spectroscopy, CRDS）技术是近十几年迅速发展起来的一种新型光谱检测技术，其基于高反镜的多次反射特性，在较短的距离内可实现长达数千米甚至数十千米的等效光程，具有超高灵敏度和低检测限的优点，为气溶胶消光的测量提供了新型测量设备。这种技术与传统的测量技术相比具有以下优势：

（1）腔衰荡中，由于腔镜的反射率极高（一般为99.9%-99.9999%），光强的衰减慢，在较短的距离内可实现高达数千米甚至数十千米的等效光程光在腔内可以往返数千米，使探测的灵敏度及检测限大大提高，这是其他测量方法所不能达到的。

（2）由于 CRDS 技术是测量光在衰荡腔中的衰荡时间，该时间是一个强度的比值，与入射光的强度大小没有直接关系，因此测量结果不受激光强度起伏的影响，具有信噪比高、抗干扰能力强等优点。

（3）CRDS技术的装置很简单，非常容易实现。综上所述，CRDS技术在大气气溶胶消光系数测量中具有重要的研究意义和应用价值。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。