一种内腔增强型光声光谱式痕量气体传感器装置的制作方法

本发明涉及激光检测领域，具体涉及一种利用激光对痕量气体的检测方法及设备。

背景技术：

大气环境中存在多种痕量气体，例如甲烷(ch4)、臭氧(o3)、一氧化碳(co)等，浓度在ppt-ppm量级，它们的含量虽然很低，但是却对环境有着很大的影响。精确测量这些痕量气体的组分、含量以及其随时间、空间的分布变化，对于基础科学和应用技术研究也具有非常重要的意义。

在痕量气体检测技术研究中，测量方式可分为非光谱法和光谱法。相比非光谱法的测量手段而言，光谱法有着高灵敏度、高分辨率等优点，同时随着激光光谱技术的迅速发展和激光器件的研究进步，使得利用激光光谱技术实现痕量气体的检测成为了新的研究领域。在众多激光光谱测量方法中，光声光谱由于具有成本低、探测性能好而成为目前的研究热点。

提高激光光声光谱探测技术的探测范围和探测灵敏度的方法通常包括光声池的优化设计以及高灵敏度新型传感器的设计两个方面。例如，harren等人通过理论分析和实验研究对纵向共振光声池结构进行了优化设计，并完成了c2h2气体的探测，其极限探测灵敏度高达6ppt。v.koskinen等采用微悬臂梁作为光声光谱探测系统的声传感器，完成对co2气体探测对象。特别是美国的anatoliya.kosterev等在2002年采用具有极高品质因数的石英音叉作为声传感器，首次提出了石英增强型光声光谱探测系统，极大地增加了系统对环境噪声的抗干扰能力，因此受到了研究工作者的极大关注，对此进行了深入的探索研究，并广泛应用于各种痕量物质探测中。上述方法采用光声池作为声信号增强器件，仅能对被测物质进行接触式近距离探测，因此极大地限制了对爆炸物、有毒有害物质的探测。

因此，研发一种高灵敏度、且能在任意环境中进行检测的装置或方法就变得十分紧迫。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种内腔增强型光声光谱式痕量气体传感器装置，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。

本发明实施例提供的一种内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器1、斩波器2、激光准直聚焦系统3、前腔镜4、可调谐滤波器5、激光增益介质6、石英音叉7、后腔镜8；所述半导体激光器1用于输出波长为940nm的种子光；所述斩波器2用以实现对输出激光的强度调制；所述激光准直聚焦系统3中包含两个非球面透镜，其焦距分别为20-40mm、30-60mm；所述前腔镜4为镀940nm高透、2.0～2.5μm高反介质膜的平凹镜，所述平凹镜的曲率为100～500mm；所述可调谐滤波器5为窄线宽滤波器，用于选取特定波长激光；所述激光增益介质6为掺钬激光晶体，其掺杂浓度为1％；所述石英音叉7置于激光器谐振腔内振荡激光的束腰处；所述后腔镜8激光输出透过率不大于5％；所述前腔镜4与后腔镜8构成的激光器谐振腔的腔长为100mm，腔内振荡激光的光束直径小于300μm；所述石英音叉7产生的压电信号经阻抗放大器9放大后传输至控制与数据采集系统10，所述控制与数据采集系统10用于检测石英音叉的共振频率，并且实时控制所述斩波器2，使之调制的频率f始终为石英音叉的共振频率f0；计算机11连接所述控制与数据采集系统10，通过上位机软件labview进行实时控制。

进一步的，所述共振频率f0＝32.768khz。

进一步的，所述可调谐滤波器为窄线宽滤波器。

进一步的，所述可调谐滤波器的线宽为0.1nm。

进一步的，所述阻抗放大器包括前置放大器和锁相放大器，所述石英音叉(7)信号输出端连接所述前置放大器，所述锁相放大器控制与所述数据采集系统连接。

进一步的，所述斩波器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

本发明实施例提供的一种利用上述任一装置进行痕量气体检测的方法，包括如下步骤：计算机设定相关参数输入至控制与数据采集系统，该控制与数据采集系统同时控制斩波器、可调谐滤波器、阻抗放大器；其中，所述计算机控制所述阻抗放大器对石英音叉的共振频率进行扫描，根据扫描的结果对所述斩波器的调制频率进行设定，控制所述斩波器的调制频率与所述石英音叉的共振频率保持一致；

半导体激光器输出940nm种子光，经所述斩波器调制输出至激光准直聚焦系统；其中，调制的激光经过该激光准直聚焦系统的第一个非球面透镜后成为一束准直的激光光束，再经过第二个非球面透镜后聚焦到激光增益介质中；

激光增益介质吸收种子光后辐射出2.0-2.5μm波长的光子并在激光谐振腔内形成振荡激光；通过控制可调谐滤波器使得谐振腔内只存在一种波长的振荡激光；

目标探测气体吸收谐振腔内的振荡激光后，气体局部产生温度以及压力的变化，进而形成一种声波；

所述石英音叉置于谐振腔内振荡激光的束腰位置处，探测到叉股间隙之间的声波信号产生压电电流信号，该信号由所述阻抗放大器放大后传输至所述控制与数据采集系统；

所述计算机从所述数据采集系统获取相关数据，计算得出目标探测气体的浓度。

进一步的，所述痕量气体为co。

本发明提供一种光声光谱式痕量气体检测技术，利用可调谐激光激发待检测气体，气体吸收调制激光能量之后，在局部产生温度与气压的变化，进而形成声波，通过声波探测元件检测该声波信号的强度大小便可反演出痕量气体的浓度，由于音叉置于谐振腔束腰处，提高了探测的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例所述传感器装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例所述探测方法的流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例1

在光声光谱技术中，由于传感器的探测极限与激光功率成正比，因此，可调谐激光器输出功率的大小对于传感器的探测性能至关重要。然而目前就可调谐激光而言，其激光器谐振腔外输出的激光功率水平均为mw量级(<50mw)，而声波探测元件置于谐振腔外，即利用了腔外的激光能量。这种低功率水平的激光导致光声光谱传感器的探测性能难以进一步提升，无法满足许多领域的应用需求。

而激光器谐振腔内的功率水平则远大于谐振腔外，这是因为激光器输出耦合镜具有一定透过率，以透过率5％为例，则谐振腔内激光功率密度为腔外的19倍。基于以上基本事实，本发明设计了一种内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，利用近红外固体激光器作为整个传感器的激光激励源，将声波探测元件石英音叉置于激光器的谐振腔内，即利用了腔内的超高激光能量。此外，由于激光器谐振腔内产生的激光振荡多次往返经过声波探测元件石英音叉的叉股间隙，即对气体分子进行了多次激发，相当于声波信号进行了多次叠加，因而将进一步提高声波信号强度，极大地改善传感器的痕量气体探测极限。本发明基于固体激光器技术，将光声光谱式气体传感技术与固体激光器技术相结合，提出一种新型的内腔增强光声光谱痕量气体传感器技术，从真正意义上推动光声光谱式痕量气体传感器技术的实用化进程。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供的一种内腔增强光声光谱式痕量气体传感器装置，包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器1、斩波器2、激光准直聚焦系统3、前腔镜4、可调谐滤波器5、激光增益介质6、石英音叉7、后腔镜8；所述半导体激光器1用于输出波长为808nm、880nm或940nm的种子光；所述斩波器2用以实现对输出激光的强度调制；所述激光准直聚焦系统3中包含两个非球面透镜，其焦距分别为20-40mm、30-60mm；所述前腔镜4为镀808nm、880nm或940nm高透、2.0～2.5μm高反介质膜的平凹镜，所述平凹镜的曲率为100～500mm；所述可调谐滤波器5为窄线宽滤波器，用于选取特定波长激光；所述激光增益介质6为掺钬激光晶体，其掺杂浓度为1％；所述石英音叉7置于激光器谐振腔内振荡激光的束腰处；所述后腔镜8激光输出透过率不大于5％；所述前腔镜4与后腔镜8构成的激光器谐振腔的腔长为100mm，腔内振荡激光的光束直径小于300μm；所述石英音叉7产生的压电信号经阻抗放大器9放大后传输至控制与数据采集系统10，所述控制与数据采集系统10用于检测石英音叉的共振频率，并且实时控制所述斩波器2，使之调制的频率f始终为石英音叉的共振频率f0；计算机11连接所述控制与数据采集系统10，通过上位机软件labview进行实时控制。

所述装置中的近红外固体激光器泵浦源所采用的半导体激光器1输出波长为700～2000nm，特别的，根据激光晶体和掺杂浓度，可以选择输出波长808nm，880nm，940nm，该波长能够有效的激发激光晶体，从而提高泵浦效率；准直聚焦系统3中包含两个非球面透镜，其焦距分别为20-40mm、30-60mm，优选30mm、50mm；前腔镜4为镀808nm，880nm或940nm高透、2.0～2.5μm高反介质膜的平凹镜；激光增益介质6为掺钬激光晶体，其掺杂浓度为0.6～1.5％，优选为1％，1％的掺杂能够与808nm，880nm或940nm有效匹配，提升泵浦效率；后腔镜8激光输出耦合镜，后腔镜8输出透过率不能大于5％，这是因为透过率越低，腔内功率密度越高，光声光谱技术中激励源的功率越强，例如透过率为5％，腔内功率密度是腔外的19倍；透过率为2％，腔内功率密度是腔外的49倍；透过率为1％，腔内功率密度是腔外的99倍。如果选择透过率大于5％的后腔镜，将使得腔内功率密度严重降低，影响探测效果。

激光谐振腔前腔镜4与谐振腔的后腔镜8均为平凹镜，其曲率为100～500mm，激光器前腔镜4与后腔镜8构成的激光器谐振腔的腔长为80～120mm，优选90mm，100，110mm。特别是100mm，具有能够集中光学能量的最佳腔长，谐振腔采用平凹镜的目的在于使得腔内振荡激光的光束直径小于石英音叉的叉股间隙宽度，通常为300μm，因此，腔内振荡激光不受腔内插入的石英音叉的影响。

斩波器2置于半导体激光器1输出端用以实现传感器系统中激光光源的强度调制，其调制频率为f＝f0(f0＝32.768khz为石英音叉共振频率)。调制器的调制频率为f0/2的整数倍，调制器的调制频率信号被输入到阻抗放大器9中作为参考信号，石英音叉的信号首先被输入到前置放大器中，然后再输入到阻抗放大器9中依据参考信号检波，阻抗放大器9中的信号输入到计算机中进行数据采集。斩波器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

可调谐滤波器5为窄线宽滤波器(线宽～0.1nm)，其工作范围为2.0-2.5μm，在系统中用于选取特定波长激光，对应所探测气体的吸收波长。

优选的，石英音叉7置于凹面镜的焦点处，也就是激光器谐振腔内振荡激光的束腰处，即光束直径最小处，这样腔内振荡激光可以毫无损失地多次往返经过石英音叉的叉股间隙。

阻抗放大器9用于将石英音叉产生的压电信号放大并提取出来，随后传输至控制与数据采集系统10，控制与数据采集系统10能够检测石英音叉的共振频率，并且实时控制斩波器使之调制的频率始终为石英音叉的共振频率。所述阻抗放大器包括前置放大器和锁相放大器，所述石英音叉7信号输出端连接所述前置放大器，所述锁相放大器控制与所述数据采集系统连接。

计算机连接控制与数据采集系统，通过上位机软件例如labview进行实时控制。

实施例2

在本发明中，目标探测气体以一氧化碳(co)为例，选取的吸收波长为2.33μm，将激光器谐振腔置于浓度1000ppm的co-n2混合气体中，由斩波器调制的半导体激光经过准直聚焦系统入射到激光器谐振腔中内，控制可调谐滤波器选取波长为2.33μm的振荡激光，激发co气体产生声波，利用阻抗放大器放大提取出石英音叉探测到的声波信号，根据反演到的声波信号强度评价此种内腔光声光谱气体传感器的性能，技术效果优异。

具体通过以下步骤实现，如图2所示：

计算机设定相关参数输入至控制与数据采集系统，该控制与数据采集系统同时控制斩波器、可调谐滤波器、阻抗放大器；其中，所述计算机控制所述阻抗放大器对石英音叉的共振频率进行扫描，根据扫描的结果对所述斩波器的调制频率进行设定，控制所述斩波器的调制频率与所述石英音叉的共振频率保持一致；

半导体激光器输出940nm种子光，经所述斩波器调制输出至激光准直聚焦系统；其中，调制的激光经过该激光准直聚焦系统的第一个非球面透镜后成为一束准直的激光光束，再经过第二个非球面透镜后聚焦到激光增益介质中；

激光增益介质吸收种子光后辐射出2.0-2.5μm波长的光子并在激光谐振腔内形成振荡激光；通过控制可调谐滤波器使得谐振腔内只存在一种波长的振荡激光；

目标探测气体吸收谐振腔内的振荡激光后，气体局部产生温度以及压力的变化，进而形成一种声波；

所述石英音叉置于谐振腔内振荡激光的束腰位置处，探测到叉股间隙之间的声波信号产生压电电流信号，该信号由所述阻抗放大器放大后传输至所述控制与数据采集系统；

所述计算机从所述数据采集系统获取相关数据，计算得出目标探测气体的浓度。

所述痕量气体为co。

所述方法中的近红外固体激光器泵浦源所采用的半导体激光器1输出波长为700～2000nm，特别的，根据激光晶体和掺杂浓度，可以选择输出波长808nm，880nm，940nm，该波长能够有效的激发激光晶体，从而提高泵浦效率；准直聚焦系统3中包含两个非球面透镜，其焦距分别为20-40mm、30-60mm，优选30mm、50mm；前腔镜4为镀808nm，880nm或940nm高透、2.0～2.5μm高反介质膜的平凹镜；激光增益介质6为掺钬激光晶体，其掺杂浓度为0.6～1.5％，优选为1％，1％的掺杂能够与808nm，880nm或940nm有效匹配，提升泵浦效率；后腔镜8激光输出耦合镜，后腔镜8输出透过率不能大于5％，这是因为透过率越低，腔内功率密度越高，光声光谱技术中的激励源越强，例如透过率为5％，腔内功率密度是腔外的19倍；透过率为2％，腔内功率密度是腔外的49倍；透过率为1％，腔内功率密度是腔外的99倍。如果选择透过率大于5％的后腔镜，将使得腔内功率密度严重降低，影响探测效果。

激光谐振腔前腔镜4与谐振腔的后腔镜8均为平凹镜，其曲率为100～500mm，激光器前腔镜4与后腔镜8构成的激光器谐振腔的腔长为80～120mm，优选90mm，100，110mm。特别是100mm，具有能够集中光学能量的最佳腔长，谐振腔采用平凹镜的目的在于使得腔内振荡激光的光束直径小于石英音叉的叉股间隙宽度，通常为300μm，因此，腔内振荡激光不受腔内插入的石英音叉的影响。

斩波器2置于半导体激光器1输出端用以实现传感器系统中激光光源的强度调制，其调制频率为f＝f0(f0＝32.768khz为石英音叉共振频率)。调制器的调制频率为f0/2的整数倍，调制器的调制频率信号被输入到阻抗放大器9中作为参考信号，石英音叉的信号首先被输入到前置放大器中，然后再输入到阻抗放大器9中依据参考信号检波，阻抗放大器9中的信号输入到计算机中进行数据采集。斩波器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

可调谐滤波器5为窄线宽滤波器(线宽～0.1nm)，其工作范围为2.0-2.5μm，在系统中用于选取特定波长激光，对应所探测气体的吸收波长。

优选的，石英音叉7置于凹面镜的焦点处，也就是激光器谐振腔内振荡激光的束腰处，即光束直径最小处，这样腔内振荡激光可以毫无损失地多次往返经过石英音叉的叉股间隙。

阻抗放大器9用于将石英音叉产生的压电信号放大并提取出来，随后传输至控制与数据采集系统10，控制与数据采集系统10能够检测石英音叉的共振频率，并且实时控制斩波器使之调制的频率始终为石英音叉的共振频率。所述阻抗放大器包括前置放大器和锁相放大器，所述石英音叉7信号输出端连接所述前置放大器，所述锁相放大器控制与所述数据采集系统连接。

计算机连接控制与数据采集系统，通过上位机软件例如labview进行实时控制。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。