探测顺磁分子气体的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及激光传感领域，具体地涉及利用法拉第旋光原理探测顺磁分子气体的方法和系统。
【背景技术】
[0002]顺磁气体分子是指外层电子轨道含不成对电子的分子，如一氧化氮，二氧化氮，氧气，羟自由基等分子。对顺磁气体分子的高灵敏度探测，对大气污染，大气化学，燃烧动力学，基于呼气中痕量分子的无创疾病检测等领域均具有十分重要的意义。这些气体分子人们用肉眼看不见，只有用仪器特殊的“眼”才能看到。基于化学突光(chemiluminesecence)和电化学(electrochemical)技术的痕量(化学上指物质含量在百万分之一以下的量或浓度)气体分析仪，是目前高精度气体探测市场上最有竞争力的两类产品。然而化学荧光技术可靠性差，需要臭氧作为反应气体，存在二次污染，且需要经常校准，仪器性价比低。电化学技术灵敏度较低，响应时间滞后严重。而这两种技术共同的一个最大问题是，信号极易受到样品气体中水和二氧化碳分子的干扰，测量结果存疑。
[0003]现有技术中还存在基于法拉第旋光原理的气体分析技术，其能够对气相的顺磁分子实现高灵敏度，高选择性的传感。该技术主要探测顺磁分子在外加磁场下，对入射线偏振光的偏振角度旋转，来实现对气体浓度的检测。其中，偏振旋转角度与顺磁分子的浓度成正比。
[0004]图1示出了传统的法拉第光谱技术原理。如图1所示，当一束线偏振激光的频率处于分子的吸收谱线频率时，输出光的偏振角度?会发生改变，Λ O = An*JiL/X。其中Δ Θ为偏振角度改变值,L为在磁场中的样品的有效光程，λ为光波长,而Δη为磁场引起的样品左旋和右旋光的折射率差，这一参数与气体浓度，磁场强度以及谱线强度相关。当激光通过置于气体池之后的一个偏振检偏器(符合Itjut = Iin*sin2 θ定律)时,偏振改变Δ Θ被转换为光强度改变，通过光电探测以及信号解调，即可得到与气体分子浓度相关的法拉第光谱信号。传统法拉第光谱技术使用交变磁场(频率为fo)调制顺磁分子，因此激光的偏振角度也被磁场调制，通过在fo处的锁相解调技术来获取被调制的信号。通过施加交变磁场和锁相解调的方法，可以有效滤除多种噪声，比如激光源和光电探测器的宽谱噪声，相干干涉噪声(吸收光谱分析法的限制瓶颈)，以及抑制非顺磁分子(如水，二氧化碳等)产生的光谱干涉信号等。这样可以有效地提高传感器的信噪比。因此通过施加磁场调制的法拉第光谱技术，可以比基于分子吸收的光谱技术具有更高的探测灵敏度。
[0005]然而，从实际产品开发和应用的角度来看，上述传统的单独调制磁场的法拉第光谱气体分析技术存在着以下两个主要缺点:
[0006]1.由于信号解调频率恰好处于磁线圈的电磁辐射频率上，而解调电路总会因为电磁屏蔽做得不够理想，而引入一些磁线圈的电磁辐射。这个电磁干扰信号恰恰与光探测器获取的信号处于同一频率。在锁相解调时，电磁干扰信号会叠加在真实信号上，使其具有非零偏置。这样，系统的长时间稳定性会由于叠加了一个随时间缓慢漂移的非零偏置值而变差。
[0007]2.为了让磁线圈产生足够强度的交变磁场，磁线圈的匝数一般都较大。这就使得磁线圈的感抗较大，因此磁场的调制频率被限制在1kHz以内。这就意味着，激光的偏振信号调制频率也被限制在1kHz以下。而此频率范围，恰好是激光器相对强度噪声(RIN)较大的频率区间。因此，系统的信噪比和灵敏度，被激光器基带的高强度噪声限制无法进一步提闻。
[0008]因此，需要一种具有增强的系统长时间稳定性和/或提高的系统灵敏度的探测气体的方法和系统。
【发明内容】
[0009]本申请针对传统的探测顺磁分子气体的技术缺点，提出一种能够增强系统长时间稳定性和/或提高系统灵敏度的探测气体的方法和系统。
[0010]在一方面，提供一种探测顺磁分子气体的方法，包括:将第一频率的交变磁场施加于气体池中的待测气体；对第一激光束进行波长调制以产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；将波长调制的第一激光束转换成偏振光，将该偏振光入射到气体池，并且将从气体池输出的激光束转换成强度调制的激光束；通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；以及解调该电信号，以获得待测气体的光谱信息。
[0011]在另一方面，提供一种探测顺磁分子气体的系统，包括:气体池，其内部充有利用第一频率的交变磁场调制的待测气体；第一激光器，其产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；起偏器，其将波长调制的第一激光束转换成偏振光，并将该偏振光入射到气体池；检偏器，其将从气体池输出的激光束转换成强度调制的激光束；光电探测器，其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；以及第一信号解调器，其解调电信号以获得第一待测气体的光谱信息。
【附图说明】
[0012]通过下面的结合附图对本发明进行的详细说明，可以更全面地理解本发明，其中:
[0013]图1示出了现有技术的原理图；
[0014]图2示出了根据一个实施例实现本发明的系统图；
[0015]图3示出了本发明的实施例与现有技术的信号的电频谱对比图；
[0016]图4示出了根据现有技术获得的信号光谱图；
[0017]图5示出了根据本发明的实施例获得的信号光谱图；
[0018]图6示出了根据本发明另一个实施例获得的信号随气体浓度变化的响应图；
[0019]图7示出了根据本发明的另一个实施例获得的系统图；以及
[0020]图8示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021]现在将对本发明的特定实施例详细做出参考。在附图中示出了这些特定实施例的示例。虽然结合这些特定实施例描述本发明，但是应当理解，不预期将本发明限制到描述的实施例。相反地，意图涵盖可以被包括在如附加权利要求书所定义的本发明的精神和范围之内的替换、修改和变化。在下面说明书中，阐述细节以便提供对本发明的更彻底的理解。在没有某些或所有这些细节的情况下可以实践本发明。此外，公知的特征可以不被详细描述以避免不必要地模糊本发明。
[0022]首先参考图2说明本发明的基本原理。
[0023]如图2所示，本发明通过对激光器进行高频调制，通过载波将原来的低频法拉第信号调制到较高频率，从而与磁线圈的频率&区分开来。
[0024]因此，与传统的法拉第光谱技术相比，本发明的技术不仅对磁场进行频率为&的调制，也对激光器的波长进行频率为的调制。因此本发明的技术可以被称为双调制法拉第光谱技术。
[0025]下面接合图3对双调制法拉第光谱技术的原理进行说明。图3示出的是对双调制法拉第光谱技术的信号谱分析。图3中的a是传统法拉第光谱技术的信号谱，由于只有交变磁场调制，信号处于低频fo处；图3中的b是只有波长调制时的信号谱，因此信号处于波长调制的较高频率处；图3中的c是处于波长调制与磁场调制共同作用下的信号谱，混频后的频谱具有通信系统调幅信号的特征——以为载波，边带信号处于Aiftl处。
[0026]返回来继续参考图2，该系统包括一个气体池，即法拉第腔，其内部充有利用第一频率fo的交变磁场调制的待测气体。一激光器产生具有第二频率的波长调制的第一激光束。如上所述，第二频率高于第一频率fo。起偏器将波长调制的第一激光束转换成线偏振光，并将该偏振光入射到气体池。气体池之后是检偏器,其将从气体池输出的偏振被调制的激光束转换成强度调制的激光束。然后是光电探测器，其通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号。最后通过第一信号解调器来解调电信号以获得第一待测气体的光谱信息。
[0027]对于解调方法，根据上述参考图3的信号谱分析，利用调幅信号解调方法，可对双调制法拉第技术的信号进行解调。如图2所示，先将探测器信号通过混频器，将处于或者其谐波频率处的信号降至基带，再通过窄带锁相解调提取边带信号，过滤宽带噪声。由于波长调制的信号特点，二次谐波信号具有与吸收谱类似的对称谱型，其峰值易于标定信号强度，因此在这里选用二次谐波频率2f\作为混频器的参考频率做下变频转换。
[0028]为了稳定激光器的频率，可以提供稳频反馈环路。如图2所示，从检偏器分出的反常光(e光)可以作为参考路，对激光器的波长锁定提供反馈回路。当把光束通过气体池时，预先充入的高浓度参考气体对激光产生吸收。因为波长调制技术锁相解调得到的三次谐波信号，在谱线中心具有过零点。