一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体测量系统的制作方法

1.本发明气体监测技术领域，尤其涉及一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体测量系统。


背景技术：

2.气体的光谱测量方法主要有可调谐半导体激光吸收光谱技术、光声光谱技术、腔增强吸 收光谱技术、傅里叶红外光谱技术、非色散红外技术、差分吸收光谱技术、离轴积分腔技术 和腔衰荡光谱技术等。腔衰荡光谱技术是一种基于衰荡腔的高精度测量技术，由两面或者多 面高反镜组高精细度的衰荡腔，激光通过模式匹配耦合到谐振腔中实现相干增长，增加了吸 收光程。当激光被迅速切断后，探测器探测光强的衰减，通过指数拟合得到光腔衰荡时间。 衰荡时间与腔镜的反射率、腔长和气体吸收有关，通过测量有无气体的衰荡时间差就能反演 出待测气体浓度，如下公式所示：
[0003][0004]
上式中c为待测气体浓度，c为光速，为待测气体在特定吸收峰的吸收截面，τ和τ0分别 为有气体吸收和空腔时的衰荡时间。
[0005]
现有技术中衰荡腔大多为直线型衰荡腔，高阶模难抑制，衰荡信号的信噪比不高，腔体 结构较长，同时样品激励不均匀会引起误差的增多，综上所述，本技术现提出一种基于三角 环形腔的光腔衰荡痕量气体测量系统来解决上述出现的问题。


技术实现要素：

[0006]
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于三角环形腔的光腔衰 荡痕量气体测量系统，以解决背景技术中提出的问题。
[0007]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体 测量系统，包括光路模块、气路模块、数据采集模块以及控制模块，所述光路模块用于形成 检测气体浓度的闭合的三角光路，所述气路模块用于向光路模块的三角光路内部通入待检测 样气，所述数据采集模块用于采集光在空腔环境和有气体吸收环境中的衰荡时间，所述控制 模块用于对光路模块、气路模块和数据采集模块进行控制。
[0008]
优选的，所述光路模块包括三角环形腔、腔前光路以及腔后光路，所述三角环形腔的腔 体优选采用具有热膨胀系数小、导热系数低、硬度不高等性能的殷钢材质，且腔体两端口直 径不同，所述三角环形腔的腔体上设有可通入待测样气的进气口和与进气口对应的出气口， 进气口和出气口的平面位置均与第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜间隔至少2cm，避免 气流对第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜的反射效率造成不良的影响，所述三角环形腔 包括第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜，所述第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜的 反射率均大于99.99％，所述第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜呈三角形排布于三角环形 腔的腔体内部，第一高反镜和第二高反镜优选采用平面镜，且均粘接
在三角环形腔的腔体的 一侧端面，第三高反镜优选采用球面镜，第三高反镜粘接在三角环形腔的腔体的另一侧端面， 所述第一高反镜和第二高反镜的夹角优选设计为88.768
°
夹角，且第三高反镜优选设置在第 一高反镜和第二高反镜中心点连线的中垂线处，粘接第一高反镜、第二高反镜和第三高反镜 的胶水优选采用环氧树脂胶，确保腔体的气密性，进入三角环形腔的s线偏振光，经过第一 高反镜射至第二高反镜表面，然后反射到第三高反镜表面，第三高反镜再将光束射至第一高 反镜表面，第一高反镜将第三高反镜反射回的光束再反射至第二高反镜表面，形成闭合的三 角光束；所述腔前光路包括激光器、第一反射镜、偏振分光镜，所述激光器用于输出光束， 所述激光器可采用dfb连续波激光器，其具有良好的单色性，它的线宽普遍可以做到1mhz 以内，波长可以调节以及具有非常高的边模抑制比，所述第一反射镜用于改变经过匹配镜的 光束的光路方向，所述偏振分光镜用于分开s线偏振光和p线偏振光，由于s线偏振光和p 线偏振光在三角环形腔中可能会出现相位突变，导致同一束光的不同偏振光不能同时满足谐 振条件，从而同时激发两种本征偏振态模式，破坏了两本征态的相交性，因此采用偏振分光 镜将s线偏振光和p线偏振光分开，将s线偏振光注入三角环形腔；所述腔后光路包括1/4 玻片以及第二反射镜，所述1/4玻片用于将s线偏振光变换为圆偏振光或椭圆偏振光以及用 于将圆偏振光或椭圆偏振光变化为p线偏振光，所述第二第一反射镜将光反射到聚焦镜，并 聚焦到光电探测器的端面，三角环形腔输出s线偏振光经过1/4玻片，1/4玻片将s线偏振光 变换为圆偏振光或椭圆偏振光，圆偏振光或椭圆偏振光经过第二反射镜反光返回后，再经过 1/4玻片，1/4玻片再将圆偏振光或椭圆偏振光变换为p线偏振光，与正向行波不干扰。
[0009]
更为优选的，所述光路模块还包括光学平台，所述腔前光路、腔后光路以及三角环形光 腔均设置在光学平台上，光学平台优选采用钨铜制成，其具有硬度高、热膨胀系数低、热导 性好等特点。
[0010]
更为优选的，所述腔前光路还包括所述第一准直镜、匹配镜以及第二准直镜，所述激光 器输出光束的束腰大小可以采用第一准直镜或第一准直镜和第二准直镜共同调节，调节后的 光束经过匹配镜，使光束束腰与三角环形腔的束腰相匹配，第一准直镜和第二准直径的透镜 参数根据高斯光束的准直原理来确定。
[0011]
更为优选的，所述腔前光路还包括棱镜，所述棱镜用于对光束的空间位置进行调节，用 于调节输入三角环形腔的光束的角度，调节射入三角环形腔光束的角度，保证入射光束角度 满足形成闭合光路的条件。
[0012]
更为优选的，所述数据采集模块包括光电探测器以及聚焦镜，所述光电探测器用于采集 光在空腔环境和有气体吸收环境中的衰荡时间，所述第二反射镜反射的光由聚焦镜聚焦于光 电探测器的端面，光电探测器可与设于外部的采集卡通过数据线连接，采集卡用于储存和传 输检测的数据。
[0013]
更为优选的，所述气路模块包括气泵、两个比例阀、一级过滤器和二级过滤器，所述气 泵的进气管路由其中一个比例阀控制通路的开合，气泵的进气管路贯穿一级过滤器和二级过 滤器，与三角环形腔的进气口连接，气泵的出气管路与三角环形腔的出气口连接，气泵的出 气管路由另一个比例阀控制通路的开合，气泵为待检测样气进出三角环形腔提供动力，两个 比例阀控制进气泵的进气管路的开合，一级过滤器和二级过滤器对样气进行过滤。
[0014]
更为优选的，所述控制模块包括激光器驱动器、腔体温度控制器以及电关断器，所述激 光器由激光器驱动器控制运行，所述腔体温度控制器用于控制三角环形腔的腔体内部温度， 所述电关断器控制激光器的关断。
[0015]
从上述可以看出，本发明的有益效果：本发明通过三角环形腔让激光在衰荡腔内循环反 射，增加了有效吸收路径，提高了测量下限；由于三角腔的入射光与返回光不同向，没有对 光源的反馈，因此降低了频率波动，改善了光腔耦合，降低了基线噪声，并提高了绝对灵敏 度。同时因为腔内光由行波而不是驻波组成，改善了腔内光强的均匀性，从而减少了由样品 激励不均匀引起的误差。
附图说明
[0016]
图1是本发明实施例提供的一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体分析系统的模块示 意图；
[0017]
图2是本发明实施例提供的一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体分析系统的光路结 构示意图；
[0018]
图3是本发明实施例提供的一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体分析系统的光束匹 配示意图；
[0019]
图4是本发明实施例提供的一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体分析系统的三角环 形腔的结构示意图。
[0020]
附图标记中：1.腔前光路；2.三角环形腔；3.腔后光路；4.光学平台；5.数据采集模块； 6.气路模块；7.激光器驱动器；8.电关断器；9.腔体温度控制器；11.激光器；12.第一准直 镜；13.第二准直镜；14.匹配镜；15.第一反射镜；16.偏振分光镜；17.棱镜；201.第一高反 镜；202.第二高反镜；203.第三高反镜；204.出气口；205.进气口；31.1/4玻片；32.第二 反射镜；33.聚焦镜；51.光探测器。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具 体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描 述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0022]
实施例一
[0023]
请参阅图1-图4，一种基于三角环形腔的光腔衰荡痕量气体测量系统，包括光路模块、 气路模块6、数据采集模块5以及控制模块，光路模块用于形成检测气体浓度的闭合的三角 光路，光路模块包括三角环形腔3、腔前光路1以及腔后光路3，腔前光路1包括激光器11、 第一准直镜12、第二准直镜13、匹配镜14、第一反射镜15、偏振分光镜16以及棱镜17， 激光器11发出高斯光束，光束经过第一准直镜12和第二准直镜13后改变束腰大小，再经过 匹配镜14，将光束束腰与三角环形腔3的束腰相匹配，光束经过第一反射镜15反射后，到 达偏振分光镜16，偏振分光镜16将s线偏振光和p线偏振光分开，将s线偏振光注入三角环 形光腔内部。
[0024]
三角环形腔3包括第一高反镜201、第二高反镜202和第三高反镜203，第一高反镜201、 第二高反镜202和第三高反镜203呈三角形排布于三角环形腔3的腔体内部，第一高反
镜201 和第二高反镜202优选采用平面镜，且均粘接在三角环形腔3的腔体的一侧端面，第三高反 镜203优选采用球面镜，第三高反镜203粘接在三角环形腔3的腔体的另一侧端面，进入三 角环形腔3的s线偏振光，经过第一高反镜201射至第二高反镜202表面，然后反射到第三 高反镜203表面，第三高反镜203再将光束射至第一高反镜201表面，第一高反镜201将第 三高反镜203反射回的光束再反射至第二高反镜202表面，形成闭合的三角光束。
[0025]
腔后光路3包括1/4玻片31以及第二反射镜32，透过三角环形腔3的s线偏振光经过 1/4玻片31表面后，s线偏振光变换为圆偏振光后到达第二反射镜32，第二反射镜32将s线 偏振光反射回三角环形腔3中，途中，经过1/4玻片31另一侧表面后，1/4玻片31将圆偏振 光变换为p线偏振光，再次注入三角环形腔3中，p线偏振光同理，在三角环形腔3中形成 与s线偏振光方向相反的反向循环闭合光路，同时，p线偏振光透过偏振分光镜16时，会被 偏振分光镜16折射，不会对光源产生干扰。
[0026]
三角环形腔3的腔体上设有可通入待测样气的进气口205和与进气口205对应的出气口 204，气路模块6用于向光路模块的三角光路内部通入待检测样气，气路模块6包括气泵、气 泵、两个比例阀、一级过滤器和二级过滤器，气泵的进气管路由其中一个比例阀控制通路的 开合，气泵的进气管路贯穿一级过滤器和二级过滤器，与三角环形腔3的进气口205连接， 气泵的出气管路与三角环形腔3的出气口204连接，气泵的出气管路由另一个比例阀控制开 合，气泵为待检测样气进出三角环形腔3提供动力，一级过滤器和二级过滤器对样气进行过 滤，气泵为检测完毕的样气排出三角环形腔3提供动力，气泵将待检测样气通过三角环形腔 3的进气口205注入三角环形腔3内部，气泵可将三角环形腔3内部的气体从三角环形腔3 的出气口204排出。
[0027]
数据采集模块5用于采集光在空腔环境和有气体吸收环境中的衰荡时间，数据采集模块 5包括光电探测器51以及聚焦镜33，光电探测器51采集光在空腔环境和有气体吸收环境中 的衰荡时间，第二反射镜32反射的光由聚焦镜33聚焦于光电探测器51的端面，光电探测器 51可与设于外部的采集卡通过数据线连接，采集卡用于储存和传输检测的数据，记录好数据 后，通过如下公式计算待测气体的浓度：
[0028][0029]
其中c为待测气体浓度，c为光速，τ和τ0为待测气体在特定吸收峰的吸收截面，和分别 为有气体吸收和空腔时的衰荡时间。
[0030]
实施例二
[0031]
第一高反镜201和第二高反镜202优选采用平面镜，且均粘接在三角环形腔3的腔体的 一侧端面，第三高反镜203优选采用球面镜，第三高反镜203粘接在三角环形腔3的腔体的 另一侧端面，第一高反镜201和第二高反镜202的夹角优选设计为88.768
°
夹角，且第三高 反镜203优选设置在第一高反镜201和第二高反镜202中心点连线的中垂线处。
[0032]
激光器11输出的高斯光束的束腰半径由输出光纤纤径决定，光纤纤径很小，而三角环 形腔3的高斯光束的束腰半径及位置由三角闭合光路的长边和短边以及球面高反镜的曲率半 径r所决定，腔内高斯光束的束腰位置位于输入平面镜701与输出平面镜702的中间位置。
[0033]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0034]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当 理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同 时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而 形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征 进行互相替换而形成的技术方案。
[0035]
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发 明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。