一种单光源cars气体检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明为一种单光源CARS气体检测系统，与拉曼活性气体实时在线或离线检测 有关，本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，可以采用一台激光器作为光源，实现 对具有拉曼活性的气体的检测，降低系统复杂程度，并节约系统成本。
【背景技术】
[0002] CARS光谱（相干反斯托克斯拉曼散射）技术作为气体检测的一项重要技术，在工 业生产，环境监测和国防科技等领域发挥了巨大作用。当前采用的CARS光谱技术多采用两 束或多束激光光源，其中一束激光作为泵浦光，另一束激光（一般由染料激光器或0P0产 生）作为斯托克斯光，依据情况不同可能再采用一束激光作为探测光（或者泵浦光兼作探 测光），因此需要至少两台激光器或者至少一台激光器和一台0P0提供输入激光。当前CARS 技术采用的方案面临的问题有成本过高，精密的可调谐激光系统维护困难并且需要定期校 正等，针对上述问题，本发明提出一种采用单光源的低成本简易CARS系统，采用拉曼气体 池作为斯托克斯光产生装置，与泵浦激光器配合实现待测目标气体的检测。
【发明内容】
[0003] 针对当前CARS检测技术存在的成本高，维护困难等难题，提出了一种单光源的 CARS气体检测系统，实现对拉曼活性气体的检测。
[0004] 本发明采用的技术方案如下：
[0005] -种单光源CARS气体检测装置，包括泵浦激光器和充填有纯目标气体的拉曼池， 采用单一泵浦激光器作为光源，泵浦激光在目标气体拉曼池中产生斯托克斯光。泵浦激光 器位于光路的一端，在激光器的输出光路上依次放置有聚焦透镜，充填有纯目标气体的拉 曼池，分束镜，聚焦透镜，待测气体池，短波通滤波片和探测器，在分束镜一侧的分光路放置 有二相色镜，泵浦激光探测器，在二向色镜一侧的分光路上放置有斯托克斯光探测器。
[0006] 泵浦激光器的输出光经聚焦透镜聚焦，从拉曼池的入光窗口注入充有纯目标气体 的拉曼池中，由拉曼池出光窗口输出的光经分束镜透射、聚焦透镜聚焦，从待测气体池一侧 的入光窗口注入待测气体池中，从待测气体池或管路另一侧的出光口输出的光经短波通滤 波片照射到探测器上；由分束镜反射的光经二相色镜透射后照射到泵浦激光探测器上，二 相色镜反射的光照射到斯托克斯光探测器上。
[0007] 采用本发明所述装置进行CARS气体检测的方法是：于拉曼池中充填纯目标气体， 于待测气体池充填待测气体进行检测；探测器采集的CARS信号光强度I，泵浦激光探测器 采集的泵浦光强Ip，斯托克斯光探测器采集的斯托克斯光光强Is;
[0008] 探测器采集的CARS信号光强度为I，C为待测气体池中目标气体的单位体积的摩 尔量，I与Ip，Is，和C之间的关系为i=./Cx/;：x/sxC2;其中K为仪器函数，是于待测气体池 或管路中充填标准单位体积摩尔量的目标气体时测定获得。采用泵浦光探测器和斯托克斯 光探测器分别实时监测泵浦光强和斯托克斯光强，可以提高探测准确度。
[0009] 为消除拉曼池中可能产生的反斯托克斯光对探测结果的影响，还可以在紧邻拉曼 池后方处放置一个对反斯托克斯光高反，泵浦光和斯托克斯光高透的滤波片，或者采用一 个这样的滤波片作为拉曼池的输出窗口。
[0010] 拉曼池内充的气体须与待测气体中的待检目标气体一致，但拉曼池内压力较大， 一般可在1. 5MPa-10MPa之间，依据待测气体的拉曼活性不同有所变化，在该拉曼池中产生 的斯托克斯光波长可精确满足CARS探测要求。
[0011] 本发明的显著优点是采用一台激光器作为光源，该激光器输出的激光的一部分在 目标气体拉曼池中经受激拉曼散射转化为斯托克斯光，剩余部分作为泵浦光和探测光，与 斯托克斯光共聚焦在待测目标气体池中同一位置处，在泵浦光、探测光和斯托克斯光共聚 焦处产生CARS信号光。该技术方案可以采用一台激光器获得待测气体的CARS信号，可有 效降低成本和系统复杂程度。另外，本发明采用高压目标气体填充拉曼池，产生的斯托克斯 光的波长可精确满足探测需求，因此不需要像普通CARS技术那样校准斯托克斯光波长，可 降低维护难度并提高检测精度。
[0012] 本发明采用的技术方案中，待测目标气体的CARS信号光波长比泵浦光波长和斯 托克斯光波长短，因此经短波通滤波片可以过滤掉泵浦光和斯托克斯光，剩下纯净的CARS 信号光由探测器接收。
[0013] 本发明中的泵浦激光器应采用高峰值功率脉冲激光器，一般其功率须达兆瓦 以上，目标气体拉曼池内充入的气体须与待测目标气体一致，但其压力较大，一般可在 1. 5MPa_10MPa之间，依据待测气体的拉曼活性不同有所变化。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明所涉及的单光源CARS气体检测系统结构图，图中：1_高功率脉冲 激光器，2-聚焦透镜，3-纯目标气体拉曼池，4-分束镜，5-二相色镜，6-泵浦激光探测器， 7_斯托克斯光探测器，8-聚焦透镜，9-待测气体池或管路，10-短波通滤波片，11-CARS光探 测器。
【具体实施方式】
[0015] 本发明拉曼活性气体的【具体实施方式】举例说明如下：
[0016] 泵浦激光器的输出光经聚焦透镜聚焦、从拉曼池的入光窗口注入充有纯目标气体 的拉曼池中，由拉曼池出光窗口输出的光经分束镜透射、聚焦透镜聚焦，从待测气体池一侧 的入光窗口注入待测气体池中，从待测气体池或管路另一侧的出光口输出的光经短波通滤 波片照射到探测器上；由分束镜反射的光经二相色镜透射后照射到泵浦激光探测器上，二 相色镜反射的光照射到斯托克斯光探测器上。
[0017] 实施例1
[0018] 采用本发明探测煤干馏产生的混合气体管路中CH4气体的浓度。
[0019] 采用经倍频的YAG激光器输出的532nm激光作为光源，首先于拉曼池中充填纯 2MPa的纯净CH4气体，将待测混合气体管路中充入1大气压纯净的CH4气体，532nm泵浦激 光经聚焦透镜2将泵浦光聚焦在目标气体拉曼池3中，产生的斯托克斯光波长为629. 7nm。 分束镜4将约3 %的泵浦激光和斯托克斯光反射到二相色镜5上，其中泵浦光透过二相色 镜5照射到泵浦光探测器6上，斯托克斯光由二相色镜5反射后入射到斯托克斯光探测器7 上，剩余部分的泵浦光和在拉曼池中产生的斯托克斯光经聚焦透镜8共聚焦在待测气体管 路9,在9中产生波长为460. 5nm的CARS信号光经短波通滤波片10后由探测器11接收。
[0020] 读取CARS光探测器11采集的CARS信号光强度I，泵浦激光探测器6采集的泵浦 光强Ip，斯托克斯光探测器7采集的斯托克斯光光强Is ;并依据已知的CH4气体的浓度，由 公式/=AxC2求得仪器函数K。
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