CN102735649A

CN102735649A - 倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置

Info

Publication number: CN102735649A
Application number: CN2012102284846A
Authority: CN
Inventors: 李保生; 李正强; 邓迁; 冯保联; 马骏
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明涉及一种大气气溶胶吸收系数光电测量装置，具体涉及一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置。本测量装置包括光源、分光装置、光电探测装置和位于分光装置旁侧的单个气室，气室的外侧设有对气室内的第一光束或第二光束处的空气进行加热，引起第一光束或第二光束途径中的空气折射率发生变化，导致两光束产生光程差的光热装置；气室的外侧还设有与气室的内腔相连通以更新气室中的气体，并使气室中的气体按照设定方向流动的空气供给装置。本发明充分利用了横向激发光热效应，具有灵敏度高、成本低、探测范围大等特点。本发明中的测量光敏感区域和激发光热作用区都在一个气室中，大大简化了测量装置的结构，降低了测量装置的造价和成本。

Description

倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶吸收系数光电测量装置，具体涉及一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置。

背景技术

大气气溶胶在吸收地球大气直接和间接辐射强迫及能见度影响中发挥着重要的作用。气溶胶吸收光能量并将电磁能转化成热能，加热吸收性粒子及其周围，从而减少了太阳对地面的辐射能量。吸收性气溶胶的加热会改变局部大气温度，并影响相对湿度、大气环流及稳定性，以及云的运动形成和寿命。常用的大气气溶胶吸收系数的测量方法有：基于过滤的方法（如积分片法、PSAP、MAAP等）、消光减散射（又叫差分方法）、遥感方法、光声法、激光诱导的热辐射法等，然而上述测量方法均存在着结构复杂和测量成本高的问题，因此亟待改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，本装置具有直接测量大气气溶胶吸收系数而不受散射光的影响、精度高、在线等优点，同时结构简单且测量成本低。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，包括光源、光电探测装置、用于将光源所发出的光分成第一光束和第二光束的分光装置，本测量装置还包括如下组成部分：

气室，所述气室为单个，且气室设置在分光装置的旁侧；由分光装置中出射的第一光束和第二光束进入所述气室中，所述第一光束和第二光束穿过气室后均入射至第一角反射镜处，第一光束和第二光束经第一角反射镜反射后再次进入气室中，再次进入气室中的第一光束和第二光束穿过气室后经分光装置出射至光电探测装置中；

光热装置，所述光热装置设置在气室的外侧，光热装置发出激发光束，且光热装置仅对处于气室内的第一光束或第二光束与激发光束相重叠区域的气溶胶进行加热；

空气供给装置，所述空气供给装置与气室的内腔相连通，空气供给装置用于更新气室中的气体，并使气室中的气体按照设定方向流动。

本倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置还可以通过以下方式得以进一步实现：

所述光源为超辐射发光二极管SLD或发光二极管。

优选的，所述气室包括供第一光束和第二光束穿过的封闭状的气腔，所述气腔的两侧均设置有端座，端座上设置有供第一光束和第二光束穿过的空部，且所述端座上设置有用于联通气腔和空气供给装置的气孔。

优选的，所述光热装置包括用于发出激发光束的激发光源和支架，支架上设置有两个反射镜，且两个反射镜上均设置有凹面，两反射镜分设在气腔的两侧；所述两反射镜的设置位置使得激发光束在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束或第二光束与激发光束相重叠区域的气溶胶进行多次加热激发。

进一步的，所述两反射镜中的任意一个凹面上设置有供激发光束穿过的光孔，自光孔中射入的激发光束在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束或第二光束与激发光束相重叠区域的气溶胶进行加热。

更进一步的，所述光热装置上还设置有用于调节反射镜的凹面位置的位置调节机构。

优选的，所述激发光束与第一光束或者激发光束与第二光束之间的夹角为45～90°。

进一步的，所述气腔呈长条状或杆状，且气腔的长度方向与第一光束和第二光束在气腔中的传输方向相同；所述光热装置沿气腔的长度方向设置有多个，且多个光热装置的加热对象均为第一光束或第二光束与激发光束相重叠区域的气溶胶。

本发明和现有技术相比具有以下有益效果：

1）、本发明充分利用了横向斜程激发光热效应，具有灵敏度高、成本低、探测范围大等特点。所谓横向斜程激发光热效应是指当本发明中的光热装置工作时，激发光源所发出的激发光束通过在两个反射镜的凹面之间多次反射而实现的对第一光束或者第二光束与激发光束相重叠区域中的气溶胶进行加热的效应。所述第一光束或者第二光束与激发光束的相重叠区域也即激发光热作用区，当激发光束通过在两个反射镜的凹面之间多次反射时，应当控制激发光束与第一光束或者激发光束与第二光束之间的夹角为45～90°，以实现激发光热作用区中气溶胶的多次激发和倍增，从而提高了测量装置的探测范围和探测灵敏度。

当激发光源所发出的激发光束通过在两个反射镜的凹面之间多次反射时，由于气室中的空气处于朝设定方向流动的状态，因此气室中的空气作为一个整体并不会因此而升温，有效地保证了测量的准确性。

2）、本发明中仅设置有单个气室，因此测量光敏感区域和激发光热作用区都在一个气室中，大大简化了测量装置的结构，降低了测量装置的造价和成本。

3）、本发明还可以沿气腔的长度方向设置有多个光热装置，此多个光热装置能够在气腔长度方向的不同位置实现横向斜程激发光热效应，也即在气腔的多个不同位置同时实现加热作用，从而多个光热装置形成一个级联式光热作用单元，从而进一步提高吸收系数探测灵敏度，降低激发激光功率，并增加了激发光束的作用长度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是气室和光热装置的结构示意图。

图3是光热装置的结构示意图。

图4是光热装置处于工作状态时的示意图。

图5是横向斜程激发光热效应示意图。

图6是沿气腔的长度方向设置多个光热装置的结构示意图。

图中标记的含义如下：

10—光源 20—第二角反射镜 30—第三角反射镜

40—分光装置 50—气室 51—气腔 52—端座

53—空部 60—光热装置 61—支架 62—第一反射镜

63—第二反射镜 64—光孔 65—激发光束

70—第一角反射镜 80—光电探测装置 90—光源所发出的光

91—第一光束 92—第二光束

具体实施方式

如图1所示，一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，包括光源10、光电探测装置80、用于将光源10所发出的光90分成第一光束91和第二光束92的分光装置40，本测量装置还包括如下组成部分：

气室50，所述气室50为单个，且气室50设置在分光装置40的旁侧；由分光装置40中出射的第一光束91和第二光束92进入所述气室50中，所述第一光束91和第二光束92穿过气室50后均入射至第一角反射镜70处，第一光束91和第二光束92经第一角反射镜70反射后再次进入气室50中，再次进入气室50中的第一光束91和第二光束92穿过气室50后经分光装置40出射至光电探测装置80中；

光热装置60，所述光热装置60设置在气室50的外侧，光热装置60发出激发光束65，且光热装置60仅对处于气室50内的第一光束91或第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶进行加热；

空气供给装置，所述空气供给装置与气室50的内腔相连通，空气供给装置用于更新气室50中的气体，并使气室50中的气体按照设定方向流动。

所述光源10为超辐射发光二极管SLD或发光二极管。

如图2所示，所述气室50包括供第一光束91和第二光束92穿过的封闭状的气腔51，所述气腔51的两侧均设置有端座52，端座52上设置有供第一光束91和第二光束92穿过的空部53，且所述端座52上设置有用于联通气腔51和空气供给装置的气孔。

气室50通常为圆柱形结构或者立方体结构，两侧均设有透光窗片，气室50两侧的端座52上都带有使含有气溶胶粒子的空气流通的进气孔和出气孔，所述气室50的出气孔与真空泵或气泵连接，气室50的进气孔则可连接比例阀和流量计、过滤器等空气流量控制器件，以实现动态测量。

如图2、3所示，所述光热装置60包括用于发出激发光束65的激发光源和支架61，支架61上设置有两个其上均设置有凹面的反射镜，两反射镜分设在气腔51的沿第一光束91或第二光束92传输方向的两侧；所述两反射镜的设置位置使得激发光束65在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束91或第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶进行多次加热激发，如图4所示。

如图3、4、5所示，所述两反射镜中的任意一个凹面上设置有供激发光束65穿过的光孔64，自光孔64中射入的激发光束65在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束91或第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶进行加热。

优选的，所述光热装置60上还设置有用于调节反射镜的凹面位置的位置调节机构。所述位置调节机构可以对反射镜的凹面的俯仰角度进行调节，第一反射镜62的凹面与第二反射镜63的凹面的俯仰角调节范围可达0～45°，以实现更好地测量。当然无论第一反射镜62的凹面与第二反射镜63的凹面的俯仰角如何调节，都应当以实现激发光束65在两凹面之间的多次反射为最终前提。

优选的，如图5所示，所述激发光束65与第一光束91或者激发光束65与第二光束92之间的夹角为45～90°。

如图6所示，所述气腔51呈长条状或杆状，且气腔51的长度方向与第一光束91和第二光束92在气腔51中的传输方向相同；所述光热装置沿气腔51的长度方向设置有多个，且多个光热装置的加热对象均为第一光束91或第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶。

所述多个光热装置60的加热对象均为第一光束91或第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶，即此多个光热装置60的加热激发对象或者为第一光束91与激发光束65相重叠区域的气溶胶，或者为第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶，而不能对第一光束91和第二光束92与激发光束65相重叠区域的气溶胶同时激发加热。

下面结合图1说明本发明的工作过程。

光源10所发出的低相干的光90依次经过第二角反射镜20和第三角反射镜30反射后，再通过分光装置40出射而得到彼此平行的第一光束91和第二光束92，第一光束91和第二光束92进入气室50的气腔51中，第一光束91和第二光束92穿过气腔51后入射至第一角反射镜70处，第一光束91和第二光束92经第一角反射镜70反射后再次进入气室50的气腔51中，所述第一光束91和第二光束92再次穿过气室50后经分光装置40均出射至光电探测装置80中，进而通过数据处理装置计算出大气气溶胶的吸收系数。

当第一光束91和第二光束92在气腔51中传输时，光热装置60发出激发光束65对第一光束91或者第二光束92与激发光束65相重叠区域也即激发光热作用区中的气溶胶进行多次激发和倍增，以实现提高探测灵敏度、降低激发激光功率和降低成本的目的。

当激发光束65对激发光热作用区中的气溶胶进行加热激发时，气溶胶粒子将吸收激发光束65中的能量而使得气溶胶粒子及其周围空气的温度升高，这种激发加热效应将引起激发光热作用区中的空气折射率发生变化，进而导致第一光束91和第二光束92产生光程差，所述第一光束91和第二光束92最后都经过分光装置40而进入光电探测装置80中，第一光束91和第二光束92在光电探测装置80中叠加产生干涉，然后通过光电探测装置80中的数据处理装置对空气折射率的变化进行测量，并最终计算出大气气溶胶的吸收系数。

Claims

1.一种倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，包括光源（10）、光电探测装置（80）、用于将光源（10）所发出的光（90）分成第一光束（91）和第二光束（92）的分光装置（40），其特征在于：本测量装置还包括如下组成部分：

气室（50），所述气室（50）为单个，且气室（50）设置在分光装置（40）的旁侧；由分光装置（40）中出射的第一光束（91）和第二光束（92）进入所述气室（50）中，所述第一光束（91）和第二光束（92）穿过气室（50）后均入射至第一角反射镜（70）处，第一光束（91）和第二光束（92）经第一角反射镜（70）反射后再次进入气室（50）中，再次进入气室（50）中的第一光束（91）和第二光束（92）穿过气室（50）后经分光装置（40）出射至光电探测装置（80）中；

光热装置（60），所述光热装置（60）设置在气室（50）的外侧，光热装置（60）发出激发光束（65），且光热装置（60）仅对处于气室（50）内的第一光束（91）或第二光束（92）与激发光束（65）相重叠区域的气溶胶进行加热；

空气供给装置，所述空气供给装置与气室（50）的内腔相连通，空气供给装置用于更新气室（50）中的气体，并使气室（50）中的气体按照设定方向流动。

2.根据权利要求1所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述光源（10）为超辐射发光二极管SLD或发光二极管。

3.根据权利要求2所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述气室（50）包括供第一光束（91）和第二光束（92）穿过的封闭状的气腔（51），所述气腔（51）的两侧均设置有端座（52），端座（52）上设置有供第一光束（91）和第二光束（92）穿过的空部（53），且所述端座（52）上设置有用于联通气腔（51）和空气供给装置的气孔。

4.根据权利要求1或2或3所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述光热装置（60）包括用于发出激发光束（65）的激发光源和支架（61），支架（61）上设置有两个反射镜，且两个反射镜上均设置有凹面，两反射镜分设在气腔（51）的两侧；所述两反射镜的设置位置使得激发光束（65）在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束（91）或第二光束（92）与激发光束（65）相重叠区域的气溶胶进行多次加热激发。

5.根据权利要求4所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述两反射镜中的任意一个凹面上设置有供激发光束（65）穿过的光孔（64），自光孔（64）中射入的激发光束（65）在两反射镜的凹面之间多次反射以对第一光束（91）或第二光束（92）与激发光束（65）相重叠区域的气溶胶进行加热。

6.根据权利要求4所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述光热装置（60）上还设置有用于调节反射镜的凹面位置的位置调节机构。

7.根据权利要求5或6所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述激发光束（65）与第一光束（91）或者激发光束（65）与第二光束（92）之间的夹角为45～90°。

8.根据权利要求7所述的倍增型光热干涉气溶胶吸收系数测量装置，其特征在于：所述气腔（51）呈长条状或杆状，且气腔（51）的长度方向与第一光束（91）和第二光束（92）在气腔（51）中的传输方向相同；所述光热装置沿气腔（51）的长度方向设置有多个，且多个光热装置的加热对象均为第一光束（91）或第二光束（92）与激发光束（65）相重叠区域的气溶胶。