一种激光拉曼光谱气体分析仪的制作方法

一种激光拉曼光谱气体分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种激光拉曼光谱气体分析仪，包括激光器、光学谐振腔、空心反射管、散射光收集装置和光谱仪；激光器发射激光束到光学谐振腔；光学谐振腔由光学谐振腔反射镜构成；空心反射管为一根容纳待分析气体的空心管子，放置在光学谐振腔其中两个光学谐振腔反射镜之间，光学谐振腔内激光束从空心反射管一端进入，从另一端射出；光学谐振腔内激光束在空心反射管内壁内部传播，同管内待分析气体分子作用产生散射光；散射光在空心反射管内部经过管壁多次反射，从空心反射管两端射出。该仪器采用压电陶瓷精确调整光学谐振腔腔长，锁定外部入射激光束纵模，腔内形成增强激光光束；增强效果是单纯光学谐振腔增强技术的几十倍或更高，提高了气体探测的灵敏度。
【专利说明】
-种激光拉曼光谱气体分析仪
技术领域
[0001] 本发明设及气体化学成份分析和检测领域，特别设及一种激光拉曼光谱气体分析 仪。
【背景技术】
[0002] 1928年C. V.拉曼实验发现，光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，运一 现象称为拉曼散射。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率U。相同的成分称为瑞 利散射；频率对称分布在U。两侧的谱线或谱带即为拉曼光谱，其中频率较小的成分U。一 A U又称为斯托克斯线，频率较大的成分U又称为反斯托克斯线。由于拉曼谱线的 数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关，拉曼光谱可W准确地 辨别被照射物质的化学成分。随着I960年后激光器的问世，提供了优质高强度单色光，使 得拉曼光谱在物质化学成份分析领域的应用逐渐成熟起来。
[0003] 激光拉曼光谱气体成份分析是近年来发展起来的一种技术。该技术具有检测速度 快、采样少、能同时分析多种成份、体积小、维护简单和使用时间长等特点，非常适合在线分 析测量工业过程气体成分含量。激光拉曼光谱气体分析技术可应用于石油工程气测录井、 天然气组份检测及热值分析、热处理气氛控制、电厂燃煤控制、钢铁厂的炼铁、炼钢、焦化过 程的煤气在线分析、炼油过程气体监测、发酵过程气体检测控制、煤化工、化肥生产、甲醇和 乙醇生产、精细化等领域。
[0004] 激光拉曼光谱分析技术在气体分析领域仍面临着一些挑战，其中最主要的就是拉 曼散射光信号非常微弱，普通激光拉曼光谱探测气体的灵敏度根本达不到探测要求，运就 需要通过各种方法来提高拉曼散射光强度。专利US4648714中，Robed E. Benner将气体 样品盒放置在激光器谐振腔内，利用激光谐振腔内较强的激光场强从而实现了对气体的分 析；专利EP0557655B1公开了一种采用空屯、反射管提高散射光（如拉曼）收集效率的方法， 该空屯、反射管外壁锻有高反射率膜层，在管内平行传播的激光束同管内气体作用产生拉曼 散射光，拉曼散射光经过多次反射后从空屯、反射管两端或中屯、开孔射出；专利US5521703 公开了一种采用半导体激光器（或称作激光二极管）激发空屯、反射管内部气体拉曼信号的 方法，该空屯、反射管内壁锻反射膜层，半导体激光器所发射的激光束不需要在管内平行传 输；专利US5432610公开了一种半导体激光器累浦谐振腔增强化学气体分析的方法，谐振 腔反射光信号反馈到半导体激光器，半导体激光器的纵模同谐振腔纵模锁定，谐振腔内形 成较强的激光场强。在文献（Analyst, 2012, 137, 4669)中，Robert Salter公开了一种谐 振腔增强拉曼光谱气相分析的办法，该方法同样采用激光二极管，同专利US5432610不同 之处在于该文献采用谐振腔透射光反馈到激光二极管，激光二极管的纵模同谐振腔纵模锁 定，谐振腔内形成较强的激光场强。综述W上技术发明，可W归纳为两种增强拉曼散射信号 的方法，即增强激发光光功率和提高散射光收集效率。 阳〇化]目前，运几种增强气体拉曼散射信号的技术发明能够达到的最优检测灵敏 度为1卵m,还达不到卵b量级的应用要求，如挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOC)检测。因此寻求更高拉曼信号增强办法，仍是业界的重点研究方向。

【发明内容】

[0006] 本发明公开了一种激光拉曼光谱气体分析仪，其技术方案是：
[0007] 一种激光拉曼光谱气体分析仪，包括激光器、光学谐振腔、空屯、反射管、散射光收 集装置和光谱仪；
[0008] 激光器发射激光束到光学谐振腔；
[0009] 光学谐振腔由光学谐振腔反射镜构成；
[0010] 空屯、反射管为一根容纳待分析气体的空屯、管子，放置在光学谐振腔其中两个光学 谐振腔反射镜之间，光学谐振腔内激光束从空屯、反射管一端进入，从另一端射出；光学谐振 腔内激光束在空屯、反射管内壁内部传播，同管内待分析气体分子作用产生散射光；散射光 在空屯、反射管内部经过管壁多次反射，从空屯、反射管两端射出。
[0011] 优选的是，光学谐振腔由两个光学谐振腔反射镜构成。
[0012] 优选的是，还包括用于调整光学谐振腔反射镜之间距离的压电陶瓷和压电陶瓷电 联的压电陶瓷控制装置，控制装置包括光电探测器和压电陶瓷控制模块；光电探测器用于 接收光学谐振腔的反射激光束或透射激光束，压电陶瓷用于根据光电探测器信号调整光学 谐振腔反射镜之间间距，从而锁定激光束纵模。
[0013] 优选的是，空屯、反射管内壁锻有金属反射膜层或对拉曼散射光反射的光学介质膜 层。
[0014] 优选的是，空屯、反射管材料本身对拉曼散射光透明，空屯、反射管外壁锻有金属反 射膜层或对拉曼散射光反射的光学介质膜层。
[0015] 优选的是，空屯、反射管材料本身对拉曼散射光反射。
[0016] 优选的是，光学谐振腔外设有一光分离装置，该光分离装置将激光束和拉曼散射 光分离。
[0017] 优选的是，光分离装置为一倾斜安装的小尺寸反射镜，其尺寸小于散射光光斑尺 寸。
[0018] 优选的是，光分离装置为为倾斜安装的二向色镜。
[0019] 优选的是，光分离装置为斜面反射镜，其上开有一孔，激光束从其中穿过。
[0020] 优选的是，光学谐振腔外设有一凹面反射镜，散射光经凹面反射镜反射回空屯、反 射管内部。
[0021] 优选的是，与散射光收集一端相对的空屯、反射管端与相邻光学谐振腔反射镜之间 设有一个凹面反射镜，其上开有一孔，光学谐振腔内激光束从其中穿过，散射光经凹面反射 镜反射回空屯、反射管内部。
[0022] 优选的是，与散射光收集一端相对的空屯、反射管端与相邻光学谐振腔反射镜之间 设有一个隔离体，其上开有一孔，光学谐振腔内激光束从其中穿过，隔离体可防止气流污 染光学谐振腔反射镜。
[0023] 优选的是，空屯、反射管一端与相邻光学谐振腔反射镜之间设有一斜面反射镜，其 上开有一孔，光学谐振腔内激光束从孔中穿过；从空屯、反射管出射的散射光经斜面反射镜 反射后，同激光光路分离并输入到散射光收集装置。
[0024] 优选的是，空屯、反射管另一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一斜面反射镜， 其上开有一孔，光学谐振腔内激光束从孔中穿过；从空屯、反射管出射的散射光经斜面反射 镜反射后，同激光光路分离并输入到散射光收集装置。
[0025] 优选的是，空屯、反射管另一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个凹面反射 镜，其上开有一孔，光学谐振腔内激光束从其中穿过，散射光经凹面反射镜反射回空屯、反射 管内部。
[00%] 优选的是，空屯、反射管另一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个隔离体，其 上开有一孔，光学谐振腔内激光束从其中穿过，隔离体可防止气流污染光学谐振腔反射 镜。
[0027] 优选的是，气体分析仪还包括气体样本室，光学谐振腔和空屯、反射管位于气体样 本室内；气体样本室设有进气管和出气管；待分析气体由进气管进入该气体样本室，从空 屯、反射管内部流过，由出气管流出。
[0028] 优选的是，气体样品室设有至少一个光学窗口；从空屯、反射管出射的散射光经斜 面反射镜反射后，从光学窗口射出。
[0029] 优选的是，激光器和光学谐振腔之间设有一法拉第光隔离器。
[0030] 优选的是，激光器和光学谐振腔之间设有一带通滤光片。
[0031] 优选的是，激光器和光学谐振腔之间设有一短波通滤光片。
[0032] 优选的是，激光器和光学谐振腔之间设有一激光光束扩束装置。
[0033] 优选的是，激光器和光学谐振腔之间设有一激光光束缩束装置。
[0034] 优选的是，散射光收集装置中设有一长波通滤光片。
[0035] 优选的是，散射光收集装置中设有一陷波滤光片。
[0036] 优选的是，散射光收集装置通过光纤束连接光谱仪。
[0037] 优选的是，设有2个散射光收集装置，分别用于接收后向拉曼散射和前向拉曼散 射。
[0038] 优选的是，光纤束输出端内光纤排列成一排。
[0039] 优选的是，压电陶瓷控制模块内设有模数（A/D)转换器和数模值/A)转换器。
[0040] 优选的是，压电陶瓷控制模块内设有一电压放大模块。
[0041] 优选的是，压电陶瓷控制模块内设有一中央处理单元（CPU)。
[0042] 优选的是，光学谐振腔由=个或四个光学谐振腔反射镜构成。
[0043] 压电陶瓷（PZT)精确调整光学谐振腔腔长，使光学谐振腔锁定激光器纵模，激光 器所输出的激光束禪合到光学谐振腔内，光学谐振腔内形成较强激光光束。在光学谐振腔 中平行放置一个空屯、反射管，其内充有待分析气体。该空屯、反射管的内径大于光学谐振腔 内激光束的直径，可使光学谐振腔中的激光束在空屯、反射管内壁内部自由传播而不会接触 到管壁；光学谐振腔内激光束同空屯、反射管内部的被检测气体作用产生拉曼散射光；由于 空屯、反射管的内壁或外壁锻有对拉曼散射光高反射的膜层，拉曼散射光在空屯、反射管内经 过多次反射，最后拉曼散射光从空屯、反射管两端输出；空屯、反射管两端所输出的拉曼散射 光可通过光学接收装置输入到光谱仪中，最终得到气体的拉曼光谱。
[0044] 本发明同现有发明区别在于：1.在专利US4648714中，气体样品盒（非空屯、反射 管）放置在激光器谐振腔内；在本发明中采用一个充有待分析气体的空屯、反射管放置在另 一光学谐振腔内，该光学谐振腔在激光器外部。2.在专利EP0557655B1和专利US5521703 中，空屯、反射管位于激光器外部，没有采用谐振腔对激光束进行增强；在本发明中空屯、反射 管位于光学谐振腔内，采用了光学谐振腔对激光束进行增强。3.在专利US5432610和文献 (Analyst, 2012, 137,4669)中，分别采用了光学谐振腔的反射光和透射光作为反馈光反馈 到激光二极管内部，使半导体激光器的纵模同外部光学谐振腔纵模锁定；在本发明中采用 压电陶瓷（PZT)精确调整光学谐振腔腔长，使光学谐振腔锁定激光器纵模；另外，本发明采 用了一个充有待分析气体的空屯、反射管放置在光学谐振腔内。
[0045] 对比现有发明，本发明的有益技术效果是：1.可在激光器和光学谐振腔之间放置 滤光片，如激光线带通滤光片，可有效滤除激光器所发出的杂光光谱。2.可在激光器输出功 率相同的情况下，采用光学谐振腔大幅度增加同气体作用的激光光束功率，由此可产生更 强拉曼散射光。3.不存在外部反馈光，激光器独立工作，稳定性提高；空屯、反射管可有效提 高散射光收集效率。
【附图说明】
[0046] 图1为采用后向散射收集方式的激光拉曼光谱气体分析仪；
[0047] 图2为激光模组1结构示意图；
[0048] 图3为气体样本室4的一种实现方式；
[0049] 图4为空屯、反射管21示意图；
[0050] 图5为腔增强激光光束在空屯、反射管内部传播示意图；
[0051] 图6a为空屯、反射管内壁对散射光反射从而增强散射光收集效率示意图；
[0052] 图化为空屯、反射管外壁对散射光反射从而增强散射光收集效率示意图；
[0053] 图7为压电陶瓷控制模块7的一种实现方式；
[0054] 图8为拉曼散射光收集系统示意图；
[0055] 图9为光学谐振腔增强技术的一种实现方式；
[0056] 图10为采用前向散射收集方式的激光拉曼光谱气体分析仪； 阳057] 图Ila-Ilc气体样本室4的几种实现方式；
[0058] 图12为一种激光拉曼光谱气体分析仪； 阳059] 图13a-l3b为斜面反射镜36示意图；
[0060] 图14为凹面反射镜37示意图；
[0061] 图15为一种气体样本室4 ;
[0062] 图16为一种前向-后向拉曼散射光收集系统示意图；
[0063] 图17a-17b为光学谐振腔对激光束的透过率T、反射率R与光程（nL)之间的关系
【具体实施方式】
[0064] 为了深入了解本发明，下面结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。 W65] 实施例一
[0066]附图1为本发明实施例一提供的一种采用后向散射收集方式的激光拉曼光谱气 体分析仪，包括激光模组1、小尺寸反射镜3、气体样本室4、光电探测器5、压电陶瓷控制模 块7、散射光收集装置10、光纤束11和光谱仪12。
[0067] 其中，参见附图2,作为激光模组7的一种具体实现方式，包括激光器13、法拉第激 光隔离器14、带通滤光片15、透镜16、小孔滤波器17和透镜18。激光器13发射激光束2曰， 可W采用任意一种激光器，如气体激光器、半导体激光器、固态激光器等，在本实施例中采 用了一个半导体累浦固体值PS巧单纵模绿色激光器，其输出激光束为单纵模，波长Absw =532nm ;法拉第激光隔离器14用于隔离后续光学元件反射光，避免反射光返回激光器；带 通滤光片15的透过波长为532nm，可使激光中屯、波长通过，隔绝其他的波长的杂光，避免杂 光进入后续光学元件；透镜16和透镜18组成一个望远镜，用于激光束2a扩束，使得出射激 光束化横向模式同光学谐振腔的横向模式式匹配。
[0068] 其中，参见附图3~6,作为气体样本室4的一种具体实现方式，包括（光学谐振 腔）反射镜19、（光学谐振腔）反射镜20、空屯、反射管21、支撑体23、（光学谐振腔）腔体 22、压电陶瓷24、反射镜固定座25、进气管26和出气管27。反射镜19、反射镜20、腔体22、 压电陶瓷24和反射镜固定座25构成一个封闭气体样本室4 ;反射镜19和反射镜20平行 放置在气体样本室4两端；反射镜20固定在反射镜固定座25上；反射镜固定座25由压电 陶瓷24连接到腔体22 ;空屯、反射管21水平放置于反射镜19和反射镜20之间，并由支撑 体23连接固定于腔体22上；被检测气体由进气管26进入该气体样本室，由于支撑体23的 隔离，被检测气体只能通过空屯、反射管21流向出气管27 (气体流通路径由图3中粗箭头所 示）；
[0069] 反射镜19和反射镜20的反射面S19和反射面S20(靠近空屯、反射管21的一 侦1|，如图5)分别锻有对激光光波高反射的膜层，构成一个光学谐振腔（optical resonant cavity)。在本实施例中，S19和S20为凹面，曲率半径均为200mm，且其中屯、间距也为200mm， 因而构成一个共焦腔；激光束化通过反射镜19后在该光学谐振腔内往复传播，形成激光束 2c。
[0070] 压电陶瓷24能够在压电陶瓷驱动电压8下产生微量位移，其作用用于精确调整反 射镜19和反射镜20之间的间距L。根据光学谐振腔理论，在光学谐振腔内部存在的光波场 纵模（频率J和间距L之间的关系为：
[0071]
[0072] nL = m 入 /2
[0073] 其中化为谐振腔内光束经过气体的光程，n为气体折射率，C是真空中的光速，m 为整数，A (A = c/v)为谐振腔纵模所对应的波长。因此通过调整光学谐振腔反射镜间距 以可W使光学谐振腔纵模同外部入射激光束纵模匹配（单纵模VbWf,波长A Igsw= 532nm)， 该调整过程即为光学谐振腔锁定激光束纵模过程。在光学谐振腔纵模同外部入射激光束纵 模匹配时，由W上分析可知：
[0074] nL = m 入 iaser/2
[00巧]图17a为光学谐振腔对激光束的透过率T与光程（nL)之间的关系，当光程（nL) 为激光光波半波长的整数倍时，透射光强处于极大峰值位置，因此可用透射光束信号强度 反馈控制反射镜19和反射镜20之间的间距以使光学谐振腔锁定激光束纵模；图1化为光 学谐振腔对激光束的反射率R与光程（nL)之间的关系，可见当光程（nL)为激光光波半波 长的整数倍时，反射光强处于极小谷值位置，因此同样可用反射光束信号强度反馈控制反 射镜19和反射镜20之间的间距以使光学谐振腔锁定激光束纵模。在本实施例中，采用透 射光束信号反馈控制光学谐振腔锁定激光束纵模。
[0076] 根据光学谐振腔理论，在光学谐振腔锁定激光束纵模时，激光束2c在该谐振腔内 形成驻波，腔内激光束2c能量得到增强。在实际锁模过程中，由于激光功率波动、反馈控制 响应速度、控制电路噪音和压电陶瓷位移精度等影响，光学谐振腔纵模不能完全精确匹配 外部入射激光束纵模，即存在纵模匹配误差，但实际上由于纵模具有一定的宽度，纵模匹配 误差对腔内激光束能量增强效果影响不大。
[0077] 对于普通激光器，其输出激光束一般为多纵模，纵模间隔（即频率间隔）为：
[0078]
[0079] 其中n' Lbwt为激光器内部谐振腔的光程，n'为激光谐振腔内部介质的折射率； 同样，外部光学谐振腔纵模间隔为：
[0080]
[00川因此，如果调整反射镜19和反射镜20之间的间距L满足化= q(n' LbWf)关 系，其中q为整数，即激光束纵模间隔为光学谐振腔纵模间隔的整数倍，可W使光学谐振腔 锁定全部激光束纵模；对于q为非整数的情况，只能使光学谐振腔锁定部分激光束纵模或 锁定零个激光束纵模。总之，对于普通多纵模激光器，可调整光学谐振腔锁定至少一个激光 束纵模。
[0082] 空屯、反射管21，为一根空屯、的管子，参见附图4,其内径尺寸IV= Imm大于光学谐 振腔内激光光斑尺寸化。Ser= 0. 37mm(为中屯、强度1/e 2的光斑直径）；空屯、反射管21平行 于激光传播方向放置于反射镜19和反射镜20所构成的光学谐振腔内，且其中屯、轴线同激 光束2c中屯、轴线重合，参见附图5。因此，激光束2c从空屯、反射管一端进入，从另一端射 出，在空屯、反射管21内壁内部直线传播，不会接触到空屯、反射管21内壁，处于自由传播状 态，保证了较低的激光能量损失率，参见附图5。
[0083] 激光束2c在空屯、反射管21内部往复传播过程中，同充满空屯、反射管的气体分子 作用产生散射光9,其中包括瑞利散射光和拉曼散射光等。在本实施例一中，空屯、反射管 21为石英玻璃管，其内壁锻有对散射光高反射的银膜，其益处为：可有效阻止散射光9向自 由空间发散，使得空屯、反射管内部产生的散射光经过多次反射后由空屯、反射管两端输出， 因此极大地增强了散射光的收集效率，参见附图6曰。作为空屯、反射管21的实现方式包括： 1.空屯、管子内壁锻有对散射光反射的金属膜层或光学介质膜层。2.在透明玻璃管的外壁 锻有对散射光反射的金属膜层或光学介质膜层，如图化所示；3.空屯、管子材料本身对散射 光反射，如银管。
[0084] 其中，参见附图6,散射光9a的出射方向同入射激光束化方向相反，称作后向散射 光；散射光9b的出射方向同入射激光束化方向相同，称作前向散射光。
[00化]其中，参见附图7,作为压电陶瓷控制模块7的一种具体实现方式，包括信号采集 与处理模块28、压电陶瓷驱动器30。信号采集与处理模块28上设有模数（A/D)转换器、CPU 忍片和数模值/A)转换器，模数（A/D)转换器接受光电探测器5的输出信号6, CPU对采集 到的数字信号进行计算处理；CPU输出数字量电压信号到数模值/A)转换器，数模值/A)转 换器将模拟电压信号29输出到压电陶瓷驱动器30中；压电陶瓷驱动器30为一电压放大模 块，其输出为压电陶瓷驱动电压8,在该实施例中，压电陶瓷驱动器30的电压放大倍数为60 倍。
[0086] 其中，参见附图8,作为散射光收集装置10的一种具体实现方式，包括透镜31、滤 光片32和透镜33。透镜31用于准直散射光；滤光片32用于隔绝散射光中杂光成份，如瑞 利散射光，其对拉曼散射光透射；透镜33用于将拉曼散射光信号会聚到光纤束11中。透镜 31和透镜33组成一个成像光路，成像物体是空屯、反射管21的端面，其成像放大率取决于两 个透镜焦距之比，即在本实施例一中f 33= f 31，放大率为1，因此散射光9通过该成 像光路得到的像，即拉曼信号光斑，其尺寸同空屯、反射管21内径尺寸相同。在本实施例一 中，空屯、反射管21内径为1mm，所W拉曼信号光斑直径为1mm。
[0087] 其中，作为光纤束11的一种具体实现方式，光纤束的接收端Ila为圆形，其直径为 Imrn,其中含有7根光纤，单根光纤直径为0. 32mm ;光纤束输出端1化为长方形，其尺寸为 0.32mmX2. 5mm，其中7根光纤排列成一排。采用此光纤束结构参数的有效目的是：1.光纤 束接收端Ila可高效接收拉曼散射光斑（其直径同样为1mm)。2.减小光纤束11输出端的 宽度，因此可增加光谱仪12的光谱分辨能力。
[0088] 本发明实施例一的整体工作流程为：激光模组1发射激光束化，激光束化经过小 尺寸反射镜3反射输入到气体样本室4 ;气体样本室4包含一个光学谐振腔（由反射镜19 和反射镜20组成）和一个空屯、反射管21 ;被检测气体由进气管26流进空屯、反射管21。激 光束2d透过光学谐振腔，由光电探测器5接收。光电探测器5、压电陶瓷控制模块7和压电 陶瓷24构成一个谐振腔锁模系统，控制光学谐振腔锁定激光束纵模。激光束2c在光学谐 振腔内形成驻波，激光束能量得到增强；高能量激光束在空屯、反射管21内部传播，同气体 分子作用产生散射光9 ;该散射光经过空屯、反射管21内壁多次反射，由空屯、反射管两端输 出。其中，后向散射光9a通过反射镜19后，由从小尺寸反射镜3周围通过，输入到散射光 收集装置10中；散射光收集装置10将拉曼散射光会聚输入到光纤束11中；光纤束11同光 谱仪12连接，最终由光谱仪分析得到被测量气体的拉曼光谱。
[0089] 在本实施例一中，散射光收集装置10和气体样本室4之间设置有一个45度放置 的小尺寸反射镜3,其作用是实现激光输入光路同后向散射光收集光路分离。
[0090] 作为本实施例一的对比，参见附图9,为光学谐振腔增强拉曼光谱技术的一种实现 方式。在谐振腔内部，激光束在传播路径上和气体作用产生拉曼散射光，但是散射光收集装 置10仅能收集长度约Imm路径上的光信号。
[0091] 在本实施例一中，采用了两种方式对拉曼散射进行增强：1.光学谐振腔对激光 能量的增强。2.空屯、反射管21对拉曼散射光收集效率的增强。空屯、反射管21的长度为 175mm，因此在该长度路径上所产生的拉曼信号均能收集到，其增强倍数约175倍。 阳OW] 实施例二
[0093] 附图10为本发明实施例二提供的一种采用前向散射收集方式的激光拉曼光谱气 体分析仪，包括激光模组1、反射镜35、气体样本室4、光电探测器5、压电陶瓷控制模块7、二 向色镜34、散射光收集装置10、光纤束11和光谱仪12。
[0094] 本发明实施例二与实施例一区别在于：1.在实施例二中，所收集的信号为前向散 射光9b。二向色镜34用于实现前向拉曼散射光收集光路同出射激光束2d分离；该二向色 镜为一短波通二向色镜，其对激光波长透过，对拉曼散射光反射。2.在实施例二中，采用激 光束反射光信号反馈控制光学谐振腔锁定激光束纵模。激光模组1和气体样本室4之间设 有一个45度放置的反射镜35 (反射率为1 %，透射率为99 % );从光学谐振腔反射出的激 光束2e经过反射镜35反射，最后由光电探测器5接收。
[0095] 本发明实施例二的整体工作流程为：激光模组1发射激光束化，激光束化透过反 射镜35之后输入到气体样本室4 ;气体样本室4包含一个光学谐振腔（由反射镜19和反 射镜20组成）和一个空屯、反射管21 ;被检测气体由进气管26流进空屯、反射管21。激光束 2e被光学谐振腔反射并由原路径返回，再由反射镜35反射，最后由光电探测器5接收。光 电探测器5、压电陶瓷控制模块7和压电陶瓷24构成一个谐振腔锁模系统，控制光学谐振腔 锁定激光束纵模。激光束2c在光学谐振腔内形成驻波，激光束能量得到增强；高能量激光 束在空屯、反射管21内部传播，同气体分子作用产生散射光9 ;该散射光经过空屯、反射管21 内壁多次反射，由空屯、反射管两端输出。其中，前向拉曼散射光通过反射镜20后，被二向色 镜34反射，最后输入到散射光收集装置10中；散射光收集装置10将拉曼散射光会聚输入 到光纤束11中；光纤束11同光谱仪12连接，最终由光谱仪分析得到被测量气体的拉曼光 谱。 阳OM] 实施例S
[0097] 附图Ila为本发明实施例=提供的一种气体样本室4,本发明实施例=与实施例 一区别在于：
[0098] 1.在实施例=中，反射镜19和空屯、反射管21之间设有一斜面反射镜36,其中屯、 设有一小孔（直径化6= Imm)，激光束2c可从其中自由穿过；图13a为斜面反射镜36示意 图，其中S36为反射面；S36相对于激光束2c倾斜；斜面反射镜36用于实现散射光9同激 光束2c分离。斜面反射镜36的反射面S36也可W是曲面，如图1化和图13b所示，从空屯、 反射管21出射的散射光9经斜面反射镜36反射后，变为准直光。
[0099] 2.腔体22上设有一光学窗口 38,从空屯、反射管21出射的散射光9经斜面反射镜 36反射后，由光学窗口 38射出。
[0100] 3.反射镜20和空屯、反射管21之间设有一凹面反射镜37,其中屯、设有一小孔（直 径化7= 1mm)，激光束2c可从其中自由穿过。图14为凹面反射镜37示意图，其中反射面 S37为曲面，其曲率中屯、在空屯、反射管21右侧端面处，其有效益处为：从空屯、反射管21出 射的前向散射光9b经凹面反射镜37反射后，返回到空屯、反射管21中，最后前向散射光9b 和后向散射光9a-同从空屯、反射管21左侧端面射出，因此增强了空屯、反射管21左侧端面 所输出的散射光9信号强度。 阳101] 在本实施例=中，斜面反射镜36和凹面反射镜37的另一个有效益处为：防止气流 扩散到（光学谐振腔）反射镜19和（光学谐振腔）反射镜20上，减少气体中悬浮颗粒对 光学谐振腔反射镜的污染。气体流通路径见附图11中粗箭头所示。为防止气流污染（光 学谐振腔）反射镜，同样也可在空屯、反射管和（光学谐振腔）反射镜之间设置一个隔离体 39,其中屯、设有一小孔（直径化7= 1mm)，激光束2c可从其中自由穿过，如图Ilc所示。 阳102] 附图12为本发明实施例=提供的一种激光拉曼光谱气体分析仪，本发明实施例 =与实施例一区别在于：激光模组1发射激光束化直接输入到气体样本室4中；散射光收 集装置10设在气体样本室4侧面，用于收集从光学窗口 38出射的散射光9。 阳103] 实施例四 阳104] 附图15为本发明实施例四提供的一种气体样本室4,本发明实施例四与实施例= 区别在于：1.设有两个斜面反射镜36, 一个位于反射镜19和空屯、反射管21之间；另一个位 于反射镜20和空屯、反射管21之间。2.腔体22上设有两个光学窗口 38,分别位于腔体22 两侧。
[01化]从空屯、反射管21两端射出的后向散射光9a和前向散射光9b，经过运两个斜面反 射镜36反射，分别从两个光学窗口 38射出。附图16为本实施例四提供的一种前向-后向 拉曼散射光收集系统，其中设有两个散射光收集装置10和分别同其连接的两个光纤束11 ; 同光谱仪12连接的一端lie,两个光纤束11 (含7根光纤）合成一根光纤束，所有14根光 纤一起排列成一排。
【主权项】
1. 一种激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，包括激光器、光学谐振腔、空心反射管、 散射光收集装置和光谱仪； 激光器发射激光束到光学谐振腔； 光学谐振腔由光学谐振腔反射镜构成； 空心反射管为一根容纳待分析气体的空心管子，放置在光学谐振腔中两个光学谐振腔 反射镜之间，光学谐振腔内激光束从空心反射管一端进入，从另一端射出；光学谐振腔内激 光束在空心反射管内壁内部传播，同管内待分析气体分子作用产生散射光；散射光在空心 反射管内部经过管壁多次反射，从空心反射管两端射出。2. 如权利要求1所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光学谐振腔由两 个光学谐振腔反射镜构成。3. 如权利要求1所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述气体分析仪还包 括用于调整光学谐振腔反射镜之间距离的压电陶瓷和压电陶瓷电联的压电陶瓷控制装置， 控制装置包括光电探测器和压电陶瓷控制模块；光电探测器用于接收光学谐振腔的反射激 光束或透射激光束，压电陶瓷用于根据光电探测器信号调整光学谐振腔反射镜之间间距， 从而锁定激光束纵模。4. 如权利要求2所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述气体分析仪还包 括用于调整光学谐振腔反射镜之间距离的压电陶瓷和压电陶瓷电联的压电陶瓷控制装置， 控制装置包括光电探测器和压电陶瓷控制模块；光电探测器用于接收光学谐振腔的反射激 光束或透射激光束，压电陶瓷用于根据光电探测器信号调整光学谐振腔反射镜之间间距， 从而锁定激光束纵模。5. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射 管内壁镀有金属反射膜层或对拉曼散射光反射的光学介质膜层。6. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射 管材料本身对拉曼散射光透明，空心反射管外壁镀有金属反射膜层或对拉曼散射光反射的 光学介质膜层。7. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射 管材料本身对拉曼散射光反射。8. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光学谐振 腔外设有一光分离装置，所述光分离装置将激光束和拉曼散射光分离。9. 如权利要求8所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光分离装置为一 倾斜安装的小尺寸反射镜，其尺寸小于散射光光斑尺寸。10. 如权利要求8所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光分离装置为倾 斜安装的二向色镜。11. 如权利要求8所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光分离装置为斜 面反射镜，其上开有一孔，激光束从其中穿过。12. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光学谐振 腔外设有一凹面反射镜，散射光经凹面反射镜反射回空心反射管内部。13. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，与散射光收集 一端相对的空心反射管端与相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个凹面反射镜，其上开有一 孔，光学谐振腔内激光束从其中穿过，散射光经凹面反射镜反射回空心反射管内部。14. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：与散射光收集 一端相对的空心反射管端与相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个隔离体，其上开有一孔， 光学谐振腔内激光束从其中穿过，隔离体可防止气流污染光学谐振腔反射镜。15. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射 管一端与相邻光学谐振腔反射镜之间设有一斜面反射镜，其上开有一孔，光学谐振腔内激 光束从孔中穿过；从空心反射管出射的散射光经斜面反射镜反射后，同激光光路分离并输 入到散射光收集装置。16. 如权利要求15所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射管另 一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一斜面反射镜，其上开有一孔，光学谐振腔内激光 束从孔中穿过；从空心反射管出射的散射光经斜面反射镜反射后，同激光光路分离并输入 到散射光收集装置。17. 如权利要求15所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射管另 一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个凹面反射镜，其上开有一孔，光学谐振腔内激 光束从其中穿过，散射光经凹面反射镜反射回空心反射管内部。18. 如权利要求15所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述空心反射管另 一端和相邻光学谐振腔反射镜之间设有一个隔离体，其上开有一孔，光学谐振腔内激光束 从其中穿过，隔离体可防止气流污染光学谐振腔反射镜。19. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述气体分析 仪还包括气体样本室，所述光学谐振腔和空心反射管位于气体样本室内；气体样本室设有 进气管和出气管；待分析气体由进气管进入所述气体样本室，从空心反射管内部流过，由出 气管流出。20. 如权利要求15所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述气体分析仪还 包括气体样本室，所述光学谐振腔和空心反射管位于气体样本室内；气体样本室设有进气 管和出气管；待分析气体由进气管进入该气体样本室，从空心反射管内部流过，由出气管流 出。21. 如权利要求20所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述气体样品室设 有至少一个光学窗口；从空心反射管出射的散射光经斜面反射镜反射后，从光学窗口射出。22. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述激光器和 光学谐振腔之间设有一法拉第光隔离器。23. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述激光器和 光学谐振腔之间设有一带通滤光片。24. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述激光器和 光学谐振腔之间设有一短波通滤光片。25. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述激光器和 光学谐振腔之间设有一激光光束扩束装置。26. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述激光器和 光学谐振腔之间设有一激光光束缩束装置。27. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述散射光收 集装置中设有一长波通滤光片。28. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述散射光收 集装置中设有一陷波滤光片。29. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述散射光收 集装置通过光纤束连接光谱仪。30. 如权利要求1-4之一所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述散射光收 集装置为二个，分别用于接收后向拉曼散射和前向拉曼散射。31. 如权利要求29所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光纤束输出端 内光纤排列成一排。32. 如权利要求3或4所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述压电陶瓷控 制模块内设有模数（A/D)转换器和数模（D/A)转换器。33. 如权利要求3或4所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述压电陶瓷控 制模块内设有一电压放大模块。34. 如权利要求3或4所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述压电陶瓷控 制模块内设有一中央处理单元（CPU)。35. 如权利要求1所述的激光拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，所述光学谐振腔由三 个或四个光学谐振腔反射镜构成。
【文档编号】G01N21/65GK105987895SQ201510097948
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月5日
【发明人】陈利平
【申请人】陈利平, 裴世铀