基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于红外激光光谱技术领域，特别是涉及一种基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统及方法，该系统能实现高速、高信噪比的待测气体样本检测，可应用于高速、高灵敏度红外激光光谱技术及痕量气体检测应用。
【背景技术】
[0002]现有气体检测技术中，激光光谱气体检测法具有灵敏度高的特点，量子级联激光器具有线宽窄、功率高、可在室温环境下工作等优点，尤其是红外量子级联激光器，其输出波长扫描范围位于气体的指纹光谱区，尤其是对于痕量气体检测具有巨大的优势。目前基于量子级联激光器的直接吸收谱检测法可以实现快速的检测，但其吸收信号处于低频范围，信噪比低；目前也有量子级联激光器调频光谱应用于气体检测的报道，尽管这些种方法提高了信噪比，改善了系统的检出限，然而由于采用斜坡电流慢扫描方式，其检测时间相对较长，一般在晕秒量级。
[0003]技术背景参考文献:
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[0005][2]L.Wang, T.R.Shaples.“Intrapulse quantum cascade laserspectroscopy:pressure induced line broadening and shifting in the v6 band offormaldehyde，，，Applied Physics B，Vol.108，pp.427—435 (2012).
[0006][3] R.Eichholz，H.Richter, M.ffienold, L.Schrottke.Η.T.Grahn, andH.ff.Hubers.“Frequency modulat1n spectroscopy with a THz quantum cascadelaser, ” Optical Express,Vol.21，pp.32199-32206 (2013).
[0007][4] Tao Yang, Chao Tian, Gang Chen, R.Martin1.“Non-resonant opticalmodulat1n of quantum cascade laser and its applicat1n potential in infraredspectroscopy, ” Proc.0f SPIE，9002 (2013).
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供的一种高速、高灵敏度、低检出限的基于量子级联激光器的红外调频激光光谱气体检测系统及方法，在提高检测系统信噪比的同时，实现快速的检测，可以在100纳秒-几个微秒内实现高速的调频光谱获取，可应用于高速、高灵敏度气体检测。
[0009]本发明通过以下技术方案来加以实现:
[0010]一种基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统，其包括量子级联激光器光谱扫描模块、高速频率调制模块、同步模块、气体多返腔和调频光谱采集模块。
[0011]所述量子级联激光器光谱扫描模块是实现光谱扫描功能，由脉冲电流源和分布反馈式量子级联激光器组成。通过脉冲电流源向分布反馈式量子级联激光器提供脉宽为Tp、重复频率为ojg形电流脉冲序列，在每个电流脉冲内，利用电流在分布反馈式量子级联激光器腔体内产生的持续温度变化，实现对分布反馈式量子级联激光器的输出红外波长扫描，波长扫描范围与脉宽τρ近似成正比。
[0012]所述高速频率调制模块是实现分布反馈式量子级联激光器高速频率调制功能。由高频信号发生器、正弦电流源、可见光或近红外激光光源、光束准直器和光束聚焦器组成。所述高频信号发生器、正弦电流源和可见光或近红外激光光源依次电连接，所述光束准直器和光束聚焦器依次设置在可见光或近红外激光光源的出射光路上，光束聚焦器的汇聚点落在分布反馈式量子级联激光器出射端面。该模块通过高频信号发生器产生重复频率为??(大于c^)高频触发信号，控制正弦电流源产生频率为的正弦电流，驱动可见光或近红外激光光源，产生强度按频率为正弦函数变化的可见光或近红外调制光束，该光束经光束准直器准之后，通过光束聚焦器被汇聚在分布反馈式量子级联激光器出射端面，弓丨起分布反馈式量子级联激光器输出红外光波长以频率ω 弦振荡，从而实现分布反馈式量子级联激光器的高速频率调制，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比。
[0013]所述同步模块是实现脉冲电流源的矩形电流脉冲和正弦电流源的正弦电流同步功能，是由分频器连接高频信号发生器的输出端，分频器的触发信号端连接脉冲电流源。该模块由分频器将高频信号发生器输出的重复频率为高频触发信号，分频后变成频率为
的触发信号，将该信号作为脉冲电流源触发信号，向分布反馈式量子级联激光器提供脉宽为Tp、重复频率为矩形电流脉冲序列，由此保证分布反馈式量子级联激光器的红外光脉冲与可见光或近红外激光光源输出的正弦调制光束同步，进而实现光谱扫描与频率调制同步。
[0014]所述气体多返腔是作为被检测气体的密封性容器，由密封腔体、进气口、排气口、真空计、排气栗、入射窗口、出射窗口和反射镜。所述入射窗口和出射窗口左右相对位于密封腔体的两端，第一反射镜和第二反射镜两者相对并上下错开设置在密封腔体内，并分别靠近入射窗口和出射窗口，所述进气口和排气口设置在密封腔体上，真空计安装在密封腔体内，排气栗连接在排气口上。气体多返腔由经过频率调制的分布反馈式量子级联激光器输出红外光束由入射窗口进入气体多返腔，在平行放置的反射镜和反射镜之间来回反射数次后，由出射窗口出射。气体多返腔通过排气栗抽气，将被检测气体由进气口引入密封腔体，通过真空计检测气体压力。
[0015]所述调频光谱采集模块是实现对气体的调频光谱的采集，由红外聚焦器件、频率带宽为(大于coj的高速红外探测器、频率带宽为(大于coj高速锁相放大器、高速信号采集卡和计算机组成。所述红外聚焦器件正对出射窗口，其聚焦点落在高速红外探测器的探测面，高速红外探测器、高速锁相放大器、高速信号采集卡和计算机依次电信号连接。该模块由出射窗口出射的红外光束，通过红外聚焦器件汇聚到高速红外探测器上并形成输出信号，该信号被送入高速锁相放大器，高速锁相放大器将该信号中频率为的信号输出并送入高速信号采集卡，最后通过计算机读取信号采集卡输出信号，得到随时间变换的被检测气体红外调频光谱，调频光谱的峰峰值与被检测气体的浓度成正比，同时，调频光谱的峰峰值与可见光或近红外调制光束平均功率成正比，可以通过提高调制光束的平均功率提高检测灵敏度和改善气体浓度检出限。
[0016]具体地，所述分布反馈式