CN110006828B - 一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法，所述装置包括脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜、前置放大器、控制与数据采集系统和计算机，所述脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜沿光束传播方向依次设置；所述光声池内设置有麦克风；所述麦克风和前置放大器相连；所述前置放大器和控制与数据采集系统相连；所述控制与数据采集系统和计算机相连。本发明利用普克尔盒改变激光的偏振态以及两块直角棱镜实现光束的多次反射。

Description

一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法，具体涉及一种基于普克尔盒反射腔改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法。

背景技术

光声光谱技术是一种间接吸收光谱技术，因其具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点被广泛应用于痕量气体检测当中。光声光谱传感器的探测性能与激光器的功率有关，即传感器系统探测到的信号幅值与激发气体分子的激光功率成正比，因此光声光谱传感器可以从大功率光源的不断发展中或者从增强激光功率方法中获得益处。

基于麦克风探测光声光谱式痕量气体检测技术是一种灵敏的痕量气体探测方法，将麦克风置于充满目标气体的光声池，可调谐激光穿过光声池并激发目标气体分子，气体分子吸收光子能量后产生了微弱的声波，此声波被麦克风探测到并转换为相应的电信号，对此电信号进行解调可反演出气体浓度。

在传统的基于麦克风探测的光声光谱技术中，由于系统信号值与激光功率成正比，因此可以通过提高激光功率来增强麦克风探测到的光声信号，进而提高传感器的探测极限。但是，基于麦克风探测的光声光谱中常用的近红外可调谐分布反馈式半导体激光器的输出功率仅为几十毫瓦（<50 mW），且激光只是单次通过光声池，或者简单利用光学镜片的全反射多次通过光声池，但通过次数有限（<10次），激光能量的利用率不高，因此限制了传感器的探测性能。

发明内容

为了解决目前基于麦克风探测的光声光谱传感装置中激光利用率较低的技术问题，本发明利用普克尔盒改变激光的偏振态以及两块直角棱镜实现光束的多次反射，提供了一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，包括脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜、前置放大器、控制与数据采集系统和计算机，其中：

所述脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜沿光束传播方向依次设置；

所述光声池内设置有麦克风；

所述麦克风和前置放大器相连；

所述前置放大器和控制与数据采集系统相连；

所述控制与数据采集系统和计算机相连；

在一个脉冲周期内，脉冲激光器输出一个垂直偏振激光脉冲S光，垂直偏振激光脉冲S光经激光准直系统准直后到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片反射到达第一直角棱镜后光路实现180°的反转，经第一直角棱镜反射的垂直偏振激光脉冲S光经过施加了λ/2电压的普克尔盒变为水平偏振激光脉冲P光后入射到光声池内，之后普克尔盒上撤掉λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态，水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达第二直角棱镜后再次被反射入射到光声池内，水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片透射后依次经过第一直角棱镜和普克尔盒，激光脉冲在光声池内循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来；当下一个激光脉冲到来时，普克尔盒再次施加λ/2电压，此时上一个激光脉冲偏振态由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，因此从薄膜偏振片上折射出光声池，而下一个激光脉冲由垂直偏振激光脉冲S光变为水平偏振激光脉冲P光，重复上一个光脉冲的传播过程。

一种利用上述装置进行痕量气体检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：控制与数据采集系统对脉冲激光器的脉冲频率和普克尔盒的电压频率进行精确控制；

步骤二：在一个脉冲周期内，脉冲激光器输出的垂直偏振激光脉冲S光首先经过准直透镜系统准直后变成一束平行的准直光，然后通过薄膜偏振片反射到达第一直角棱镜处；

步骤三：在一个脉冲周期内，垂直偏振激光脉冲S光经过第一直角棱镜反射后到达施加了λ/2高电平的普克尔盒变为水平偏振激光脉冲P光，之后普克尔盒撤去λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态，水平偏振激光脉冲P光入射到光声池内，完成气体分子的第一次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达第二直角棱镜后光路实现180°的反转，反射的水平偏振激光脉冲P光再次入射到光声池内，实现气体分子的第二次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片透射后再次到达第一直角棱镜，由于此时普克尔盒上并不存在λ/2电压，水平偏振激光脉冲P光经过第一直角棱镜的反射后，透射经过普克尔盒，再次入射到光声池内，在光声池中循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来；当下一个光脉冲入射时，普克尔盒再次施加λ/2电压，此时上一个激光脉冲由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，由于偏振态的改变，到达薄膜偏振片后折射出光声池，而下一个脉冲又会重复上一个脉冲的传输过程；

步骤四：光声池内的气体分子吸收激光的能量后产生声波并被内部的麦克风探测到，麦克风将探测到的声波信号转换为电信号后传输至前置放大器，前置放大器将电信号进行放大，控制与信号采集系统对放大后的电信号进行采集并将采集的电信号传输至计算机，计算机通过软件进行实时控制与信号采集处理，最终反演出探测气体的浓度。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、普克尔盒是一种基于普克尔效应的电光器件，直角棱镜是一种可以实现入射光在元件内部高效全反射的光学元件，本发明利用普克尔盒改变激光的偏振态以及两块直角棱镜实现光束的多次反射。

2、本发明的检测装置具有信号放大倍数极高的优点。

3、通过光程的缩减，本发明的检测装置的探测性能还有进一步提升的空间。

附图说明

图1为本发明基于普克尔盒反射腔改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置的结构示意图；

图2为光声池中激光脉冲入射、多次往返传输和出射的示意图；

图3为激光脉冲波形与普克尔盒电脉冲的时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于普克尔盒反射腔改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，如图1所示，所述装置包括脉冲激光器1、激光准直系统2、薄膜偏振片3、第一直角棱镜4、普克尔盒5、光声池6、第二直角棱镜7、前置放大器8、控制与数据采集系统9和计算机10，其中：脉冲激光器1、激光准直系统2、薄膜偏振片3、第一直角棱镜4、普克尔盒5、光声池6、第二直角棱镜7沿光束传播方向依次设置；在一个脉冲周期内，脉冲激光器1输出一个垂直偏振激光脉冲S光，垂直偏振激光脉冲S光经激光准直系统2准直后到达薄膜偏振片3，经薄膜偏振片3反射到达第一直角棱镜4后光路实现180°的反转，经第一直角棱镜4反射的垂直偏振激光脉冲S光经过施加了λ/2电压的普克尔盒5变为水平偏振激光脉冲P光后入射到光声池6内，之后普克尔盒上撤掉λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态，光声池6内的气体分子吸收激光的能量后产生声波并被内部的麦克风探测到，实现激光的第一次吸收；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池6到达第二直角棱镜7后再次被反射入射到光声池6内，实现激光的第二次吸收；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池6到达薄膜偏振片3，此时由于激光脉冲为水平偏振激光脉冲P光，可以完全透过薄膜偏振片3，因此该激光脉冲便会在光声池6内循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来；当下一个激光脉冲到来时，普克尔盒5上重复上一个周期过程，即再次施加λ/2电压，此时上一个激光脉冲偏振态由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，从薄膜偏振片3上折射出光声池6，而下一个激光脉冲由垂直偏振激光脉冲S光变为水平偏振激光脉冲P光，重复上一个光脉冲的传播过程；麦克风将探测到的声波信号转换为电信号后传输至前置放大器8并由控制与数据采集系统9与计算机10进行信号处理。

利用上述装置进行痕量气体检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：控制与数据采集系统9对脉冲激光器1的脉冲频率和普克尔盒5的电压频率进行精确控制，脉冲激光器1的输出波长根据待测气体进行选择。

步骤二：在一个脉冲周期内，脉冲激光器1输出的垂直偏振激光脉冲S光首先经过准直透镜系统2准直后变成一束平行的准直光，然后通过薄膜偏振片3反射到达第一直角棱镜4处。

步骤三：在一个周期内，垂直偏振激光脉冲S光经过第一直角棱镜4反射后到达施加了λ/2高电平的普克尔盒5变为水平偏振激光脉冲P光，之后普克尔盒5撤去λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态；水平偏振激光脉冲P光入射到光声池6内，完成气体分子的第一次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池6到达第二直角棱镜7后光路实现180°的反转，反射的水平偏振激光脉冲P光再次入射到光声池6内，实现气体分子的第二次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池6到达薄膜偏振片3，经薄膜偏振片3透射后再次到达第一直角棱镜4，水平偏振激光脉冲P光经过第一直角棱镜4的反射后再次入射到光声池6内，在光声池6中循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来。在此过程中，由于激光脉冲多次通过光声池6，相当于增大了等效激光功率。当下一个光脉冲入射时，普克尔盒再次施加λ/2电压，此时上一个光脉冲便会由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，到达薄膜偏振3片后折射出光声池6，而下一个脉冲又会重复上一个脉冲的传输过程。光声池中激光脉冲入射、多次往返传输和出射的示意图如图2所示。激光脉冲波形与普克尔盒电脉冲的时序图如图3所示。

步骤四：光声池6内的气体分子吸收激光的能量后产生声波并被内部的麦克风探测到，麦克风将探测到的声波信号转换为电信号后传输至前置放大器8，前置放大器8将电信号进行放大，控制与信号采集系统9对放大后的电信号进行采集并将采集的电信号传输至计算机10，计算机10通过软件进行实时控制与信号采集处理，反演出探测气体的浓度。

本发明中，脉冲激光器1选用输出为垂直偏振激光脉冲S光的单纵模脉冲激光器，如果偏振态不是S光，可使用λ/2波片进行调节。为了得到良好的探测信号，脉冲激光器的脉冲频率应与光声池6的共振频率相等。

本发明中，脉冲激光器1可以用连续波半导体激光器以及一个斩波器来代替。

本发明中，脉冲激光器1发出的光脉冲通过激光准直系统2使激光束准直输出，然后到达薄膜偏振片3，薄膜偏振片3对垂直偏振激光脉冲S光高反射，对水平偏振激光脉冲P光高透射。

本发明中，第一直角棱镜4、第二直角棱镜7分别置于光声池6的两侧，通过调节两个棱镜间的距离可使光程L值发生变化，即可改变放大次数。

本发明中，第一直角棱镜4、第二直角棱镜7的斜面和光声池6的端面互相平行。

本发明中，第一直角棱镜4、第二直角棱镜7的材质为近红外波段损耗较低的BK7玻璃（反射率~4%）或是熔石英、氟化钙等其他低损耗材质。

本发明中，为了进一步增大激光束循环次数，可在第一直角棱镜4、第二直角棱镜7上镀增透膜以减小反射损耗。

本发明中，第一直角棱镜4、第二直角棱镜7可全部或部分替换为其他具有全反射功能的光学元件。

本发明中，普克尔盒5上施加的电压频率与脉冲激光器1发出的光脉冲频率一致，高电平为λ/2电压，低电平为零电压，高压占空比＜1‰。

本发明中，为便于光束往返传输，光声池6的内径不能太小，应≥10 mm。

本发明中，前置放大器8将麦克风探测到的电信号进行放大，电压信号与待测气体浓度成正比。

以光声池的共振频率为100 Hz、光在系统内往返一次的光程50 cm为例，脉冲激光器的脉冲频率以及普克尔盒上的电压频率均为100 Hz。在一个脉冲周期内，设光经过光声池的次数（即放大次数）为n，则有：

（1）；

式中：f是光脉冲的频率，c为光速，L为光往返一次的光程。经过计算，n=1.2×10⁷，即一个光脉冲进入到系统后会通过光声池1.2×10⁷次，也就是说光声信号会被放大1.2×10⁷次。

Claims (9)

1.一种改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述装置包括脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜、前置放大器、控制与数据采集系统和计算机，其中：

所述脉冲激光器、激光准直系统、薄膜偏振片、第一直角棱镜、普克尔盒、光声池、第二直角棱镜沿光束传播方向依次设置；

所述光声池内设置有麦克风；

所述麦克风和前置放大器相连；

所述前置放大器和控制与数据采集系统相连；

所述控制与数据采集系统和计算机相连；

所述装置在一个脉冲周期内，脉冲激光器输出一个垂直偏振激光脉冲S光，垂直偏振激光脉冲S光经激光准直系统准直后到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片反射到达第一直角棱镜后光路实现180^°的反转，经第一直角棱镜反射的垂直偏振激光脉冲S光经过施加了λ/2电压的普克尔盒变为水平偏振激光脉冲P光后入射到光声池内，之后普克尔盒上撤掉λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态，水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达第二直角棱镜后再次被反射入射到光声池内，水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片透射后依次经过第一直角棱镜和普克尔盒，激光脉冲在光声池内循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来；当下一个激光脉冲到来时，普克尔盒再次施加λ/2电压，此时上一个激光脉冲偏振态由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，因此从薄膜偏振片上折射出光声池，而下一个激光脉冲由垂直偏振激光脉冲S光变为水平偏振激光脉冲P光，重复上一个光脉冲的传播过程。

2.根据权利要求1所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述脉冲激光器选用输出为垂直偏振激光脉冲S光的单纵模脉冲激光器，脉冲频率与光声池的共振频率相等。

3.根据权利要求1所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述脉冲激光器用连续波半导体激光器以及一个斩波器代替。

4.根据权利要求1所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述第一直角棱镜、第二直角棱镜的斜面和光声池的端面互相平行。

5.根据权利要求1或4所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述第一直角棱镜、第二直角棱镜的材质为BK7、熔石英或氟化钙玻璃。

6.根据权利要求5所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述第一直角棱镜、第二直角棱镜上镀增透膜。

7.根据权利要求1所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述普克尔盒上施加的电压频率与脉冲激光器发出的光脉冲频率一致，高电平为λ/2电压，低电平为零电压，高压占空比＜1‰。

8.根据权利要求1或4所述的改进光声光谱痕量气体传感器性能的装置，其特征在于所述光声池的内径≥10 mm。

9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述装置进行痕量气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：控制与数据采集系统对脉冲激光器的脉冲频率和普克尔盒的电压频率进行精确控制；

步骤二：在一个脉冲周期内，脉冲激光器输出的垂直偏振激光脉冲S光首先经过准直透镜系统准直后变成一束平行的准直光，然后通过薄膜偏振片反射到达第一直角棱镜处；

步骤三：在一个脉冲周期内，垂直偏振激光脉冲S光经过第一直角棱镜反射后到达施加了λ/2高电平的普克尔盒变为水平偏振激光脉冲P光，之后普克尔盒撤去λ/2电压，不再改变系统内激光脉冲的偏振状态，水平偏振激光脉冲P光入射到光声池内，完成气体分子的第一次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达第二直角棱镜后光路实现180°的反转，反射的水平偏振激光脉冲P光再次入射到光声池内，实现气体分子的第二次激发；水平偏振激光脉冲P光穿过光声池到达薄膜偏振片，经薄膜偏振片透射后再次到达第一直角棱镜，由于此时普克尔盒上并不存在λ/2电压，水平偏振激光脉冲P光经过第一直角棱镜的反射后，透射经过普克尔盒，再次入射到光声池内，在光声池中循环穿过，直至下一个激光脉冲的到来；当下一个光脉冲入射时，普克尔盒再次施加λ/2电压，此时上一个激光脉冲由水平偏振激光脉冲P光变为垂直偏振激光脉冲S光，由于偏振态的改变，到达薄膜偏振片后折射出光声池，而下一个脉冲又会重复上一个脉冲的传输过程；

步骤四：光声池内的气体分子吸收激光的能量后产生声波并被内部的麦克风探测到，麦克风将探测到的声波信号转换为电信号后传输至前置放大器，前置放大器将电信号进行放大，控制与信号采集系统对放大后的电信号进行采集并将采集的电信号传输至计算机，计算机通过软件进行实时控制与信号采集处理，最终反演出探测气体的浓度。

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