CN102768198A - 一种利用锁频激光的光腔衰荡光谱技术测量气体组分含量的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，包括用于输出激光的激光光源、锁定通道、锁定装置、衰荡光谱测量通道、光探测装置和数据接收处理装置，其中锁定通道用于使激光通过纯的目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号；锁定装置用于根据参考光强信号产生一个反馈控制信号，以控制激光的波长锁定于目标气体的分子的吸收谱线的中心波长；衰荡光谱测量通道用于使激光通过被测混合气体，产生经被测混合气体吸收的衰荡激光；光探测装置用于检测衰荡激光，并产生一个表示衰荡激光的光强的衰荡光强信号；数据处理装置用于对衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果，模数转换结果可用于计算目标气体的含量。本发明能够大大提高气体组分含量的测量速度。

Description

一种利用锁频激光的光腔衰荡光谱技术测量气体组分含量的***和方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种使用锁频激光的、基于光腔衰荡技术的激光光谱测量气体中组分含量的***和方法。 

背景技术

目前，利用分子的光谱来测量气体组分含量的方法已得到发展，该方法具体为：通过对被测气体中某气体组分分子的某条吸收谱线进行测量，获取该组分的吸收率，进一步依据该吸收率与该气体组分之间所存在的线性关系，获得该气体组分的含量。例如，选定某气体组分分子在频率v₀处的吸收谱线，在吸收峰附近扫描激光器频率v(v＝1/λ，单位cm^-1)，测量其吸收光谱，得到相应的吸收率α(v)(单位cm^-1)，即可对该吸收光谱进行数值拟合，得到吸收峰的面积，由关系 

kN＝∫α(v)dv                          (1) 

可以直接得到该分子密度N(单位molecule/cm³，个分子每立方厘米)，其中k为所选定吸收谱线的强度，单位为cm/molecule(厘米每个分子)，可以从HITRAN等光谱数据库查得，或利用吸收光谱方法直接进行测定。 

但是，普通的光谱方法灵敏度低，难以对含量较低的检测对象进行测量。光腔衰荡光谱(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)技术是一种利用高反射率光腔来提高有效吸收光程，从而达到很高探测灵敏度的吸收光谱技术，能够对常规吸收光谱方法无法测量到的痕量样品进行检测。其测量原理是将被测气体置于由一对平凹镜组成的光学腔(以下称之为光衰荡腔)中。一束连续激光经过一个光开关后进入衰荡腔，当其满足共振条件时，会有一部分光穿过衰荡腔并射出；光探测器测得射出光后，触发光开关关闭，此后透射光会随时间以指数形式衰减，这被称为一个衰荡事件；拟合该衰荡事件，会得到特征衰荡时间τ，它与目标气体的吸收率α有关： 

$\frac{1}{\mathrm{c\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{1}{c{\mathrm{\τ}}_0}+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(2\right)$

其中L为衰荡腔长度，c为光速，τ₀为不存在吸收(如空腔时)的衰荡时间，与激光波长λ无关。因此，如果扫描激光波长λ，同时测量衰荡时间τ，就能够通过对所测得的(cτ)^-1结果进行拟合得到该谱线的积分吸收率，并进而得到被测气体中某气体组分的绝对含量。然而，由于测量衰荡事件所需要的时间较长，扫描光谱方法又需要在多个波长点进行测量，使得测量的时间消耗较大(一般为数十秒)。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明所要解决的技术问题是现有的光腔衰荡光谱技术测量气体组分含量的方法耗时较长的缺点。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明利用自动反馈控制方法，将激光器输出激光的波长自动控制在被测目标气体分子的吸收线中心λ₀处，不再扫描激光波长，仅通过测量被测目标气体在λ₀处的吸收率α(λ₀)，根据公式kN＝αφ来得到目标气体在光衰荡腔中的密度N。其中线形参数φ以及线强度k分别表示吸收线线宽和吸收线强度，均可根据光衰荡腔中的目标气体的温度、压力和标准数据库(如HITRAN)得到，也可以通过对标准目标气体进行测量定标的方法来确定。 

根据本发明的一个技术方案是一种用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，包括用于输出激光的激光光源、锁定通道、锁定装置、衰荡光谱测量通道、光探测装置和数据接收处理装置，其中所述锁定通道用于使所述激光通过纯的目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号；所述锁定装置用于根据所述参考光强信号产生一个反馈控制信号，以控制所述激光的波长锁定于目标气体的分子的吸收谱线的中心波长；所述衰荡光谱测量通道用于使所述激光通过所述被测混合气体，产生经该被测混合气体吸收的衰荡激光；所述光探测装置用于检测所述衰荡激光，并 产生一个表示该衰荡激光的光强的衰荡光强信号；所述数据处理装置用于对所述衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果，该模数转换结果可用于计算所述目标气体的含量。 

本发明的另一技术方案为：一种用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的方法，包括如下步骤： 

使一束激光通过纯的所述目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号，根据所述参考光强信号产生一个反馈控制信号，以控制所述激光的波长锁定于目标气体的分子的吸收谱线的中心波长； 

使所述激光还通过容纳于一个光衰荡腔中的所述被测混合气体，产生经该被测混合气体吸收的衰荡激光，并检测所述衰荡激光，产生一个表示该衰荡激光的光强的衰荡光强信号； 

对所述衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果，对所述模数转换结果进行拟合，得到所述光衰荡腔在充有被测混合气体时的光腔衰荡时间τ，然后依据公式α＝(cτ)^-1-(cτ₀)^-1得到所述被测混合气体的在中心波长λ₀处的吸收率α(λ₀)，并根据N＝α(λ₀)φ/k得到目标气体的密度，其中τ₀该光衰荡腔在空腔时的光腔衰荡时间。 

(三)有益效果 

本发明在测量过程中使激光波长自动锁定在λ₀处，因此不再需要扫描激光波长，相对于需要扫描激光波长测量的现有技术，所需时间大大缩短，从而提高了测量速度。 

附图说明

图1为本发明的利用锁频激光进行光腔衰荡以测量气体组分含量的***的原理示意图； 

图2为本发明的利用锁频激光进行光腔衰荡以测量气体组分含量的***的一个实施例的组成结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 

本发明利用锁频激光进行光腔衰荡的光谱测量，以获得气体含量的***和方法，以提高测量速度，减少时间消耗。 

本发明的利用锁频激光进行光腔衰荡以测量气体组分含量的***的测量速度仅受限于测量一次衰荡事件所需的时间，目前一般为数微秒到数百微秒之间，由于测量过程中激光波长被锁定在λ₀处，不再需要扫描激光波长，相对于需要扫描激光波长测量的现有技术，所需时间大大缩短，从而提高了测量速度。 

图1为本发明的利用锁频激光进行光腔衰荡以测量气体组分含量的***的原理示意图，该***用于测量被测混合气体中所含的目标气体的含量。如图1所示，本发明的***包括激光光源1、锁定通道2、锁定装置3、衰荡光谱测量通道4、光探测装置5和数据接收处理装置6。其中： 

激光光源1用于输出激光。根据本发明的激光光源1应具有窄线宽(＜10MHz)、可调谐的特性。在本发明中，其可以采用分布式反馈(DFB)半导体激光器。 

所述激光光源1所输出的激光被分成两束，一束入射到锁定通道2，另一束入射到衰荡光谱测量通道4。 

所述锁定通道2用于使激光通过纯的目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号，从锁定通道2出射的激光入射到一个锁定装置3，所述锁定装置3用于根据该参考光强信号产生一个反馈控制信号。该反馈控制信号返回到所述激光光源1，用于控制所述激光光源1发出的激光的波长锁定在目标气体的分子的吸收谱线的中心波长λ₀处。 

所述衰荡光谱测量通道4用于使激光通过被测混合气体，产生经被测混合气体吸收的衰荡激光，从衰荡光谱测量通道4出射的衰荡激光入射到一个光探测装置5，该光探测装置5用于检测衰荡激光，产生一个表示该衰荡激光光强的电信号，或称为衰荡光强信号，并将该衰荡光强信号发送到一个数据处理装置6。 

所述数据处理装置6用于对衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果。 

图2为本发明的利用锁频激光进行光腔衰荡以测量气体组分含量的***的一个实施例的组成结构示意图。请参阅图2，图1中的锁定通道2在该实施例中实现为一个调制装置21和一个气体吸收池22，锁定装置3实现为锁定通道探测器31和锁定控制器32，衰荡光谱测量通道4实现为光开关41、镜组42和光衰荡腔43，光探测装置5实现为接收光路探测器51和比较触发控制器52。 

在该实施例中，激光光源1为DFB半导体激光器，激光输出波长选定为目标气体分子的一条吸收线的中心波长λ₀。但是由于环境温度、电源电流等不可避免地存在涨落，其实际输出波长会存在达数十皮米以上的波动。出射的激光经一个光学分束片被分成两束，其中一束激光入射到调制装置21。调制装置21用于对该激光进行波长调制，使其波长在中心波长λ₀附近(幅度约1皮米)作周期性振荡，调制频率一般可为数十kHz到MHz范围内，并同时输出一个同步调制信号(电信号)。该调制装置21可以是一个电光调制器或声光调制器。 

然而，根据本发明其他实施方式，该调制装置21也可以是一个连接于激光光源1的电源的电流调制信号源，其通过对激光光源1的电源电流附加一个微小的交流调制电信号，从而使激光光源1出射的激光波长产生相应的调制。 

在该实施例中，经所述调制装置21调制的激光入射到一个气体吸收池22，该气体吸收池22是一个气体容器，两端安装透光的窗片，并且预先密封有纯的目标气体，根据目标气体不同，选择合适的气压和温度，例如在本实施例中检测水汽，则可充入常温水蒸汽约500Pa，容器长度选为约30cm。入射的激光经过该气体吸收池22后，发生共振吸收。 

从气体吸收池22出射的激光到达锁定通道探测器31，该锁定通道探测器31用于将该激光转换为表示其光强的电信号，在此称之为参考光强信号。 

由锁定信号探测器31产生的参考光强信号和由调制装置21产生的同步调制信号均被送到锁定控制器32。由于激光输出波长在目标气体分子吸收线中心λ₀附近作周期振荡，因此参考光强信号将也产生相应的周期振荡，并具有相位敏感性，锁定控制器32用于将该参考光强信号对所述同步调 制电信号进行解调，并进行比例积分放大得到一个电信号，该电信号反映了激光实际中心波长相对与目标气体分子吸收线中心波长λ₀的偏离，因此可作为反馈控制信号。 

该反馈控制信号返回到所述激光光源1，用于反馈控制所述激光光源1，形成一个反馈回路，从而实现将激光光源1发出的激光信号的波长锁定在目标气体的分子的吸收谱线的中心波长λ₀处。 

由激光光源1出射的激光经光学分束片分束后，另一束激光经过光开关41。该光开关41能够由一个触发信号进行触发以打开或关闭，以控制激光通过该光开关41或阻止其通过该光开关41。根据本发明，所述光开关为一个高速光开关，开关速度需小于1微秒。在该实施例中，所述光开关41是一个声光调制器。 

当光开关41打开时，激光通过光开关41后进入光衰荡腔43。在光开关41与光衰荡腔43之间还可包括一个光束调节装置，用于接收通过所述光开关41的激光，并对该激光的光束方向和束径进行调节后使其耦合进入所述光衰荡腔43。在该实施例中，该光束调节装置是一个镜组42，该镜组42由一个透镜和一个反射镜构成，经调节后的激光空间模式和光衰荡腔43匹配，使得其基横模光能够高效率地进入光衰荡腔，而高阶横模被抑制(一般需要达到10∶1以上)。 

光衰荡腔是一种光学谐振腔，其能使入射到其中的激光来回多次反射，在其输出端产生逐渐衰荡的激光输出。根据本发明，光衰荡腔43是一个由高反射率镜组成的光学谐振腔，反射镜的反射率在99.9％以上。在该实施例中，光衰荡腔43包括一对反射率达99.99％的高反射率平凹镜，镜片间距0.5米，镜片凹面曲率半径1米。该光衰荡腔43腔体密闭，充有被测混合气体。当入射的激光与光衰荡腔43发生谐振时，激光可穿过光衰荡腔43，出射到接收光路探测器51上。 

接收光路探测器51用于接收由光衰荡腔43出射的衰荡激光，将该衰荡激光转换为表示其光强的电信号，以此称之为衰荡光强信号。该衰荡光强信号分别被送到比较触发控制器52和数据处理装置6。 

比较触发控制器52用于比较该衰荡光强信号的幅度与一个阈值，当衰荡光强信号的幅度超过该预先设定的阈值后，产生一个触发信号，将该触发信号输入到光开关41和数据处理装置6。 

当光开关41接收到该触发信号时，迅速关闭光开关41，阻止激光通过所述光开关。 

另一方面，数据处理装置6接收到比较触发控制器52发出的触发信号之后，开始对从接收光路探测器输入的衰荡光强信号进行模数转换，并记录模数转换结果。在一个预先设定的时间延时后(可根据空腔衰荡时间τ₀进行选定，例如τ₀的5倍左右)，触发控制器52将结束数据记录，并再次打开光开关41，即完成一次衰荡事件的测量。 

依据数据处理装置6记录的模数转换结果可以计算被测混合气体中目标气体的含量。具体方法如下： 

首先对该模数转换结果进行拟合，得到光衰荡腔43在充有含目标气体的被测混合气体时的光腔衰荡时间τ。例如利用单指数衰减函数对该结果进行拟合。然后，将充有含目标气体的被测混合气体的光腔衰荡时间τ和该光衰荡腔在空腔时的光腔衰荡时间τ₀(或称为空腔衰荡时间)进行对比，依据公式α＝(cτ)^-1-(cτ₀)^-1得到被测混合气体的在中心波长λ₀处的吸收率α(λ₀)，并根据N＝α(λ₀)φ/k进一步得到目标气体在光衰荡腔中的密度。其中线形参数φ以及线强度k分别表示吸收线线宽和吸收线强度，均可根据光衰荡腔中的被测混合气体的温度、压力和标准数据库(如HITRAN)得到，也可以通过对标准目标气体进行测量定标的方法来确定。单次测量所需的时间为衰荡事件过程的记录时间，一般可设定在空腔衰荡时间τ₀的5倍左右，τ₀由所用光衰荡腔的镜片反射率和腔长等决定，一般在数十微秒以下，因此总测量时间在数微秒到数百微秒水平。和现有技术中需要扫描激光波长多点测量的方法相比，本发明时间消耗大大减小，测量速度提高。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，包括用于输出激光的激光光源(1)，其特征在于，还包括锁定通道(2)、锁定装置(3)、衰荡光谱测量通道(4)、光探测装置(5)和数据接收处理装置(6)，其中

所述锁定通道(2)用于使所述激光通过纯的目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号；

所述锁定装置(3)用于根据所述参考光强信号产生一个反馈控制信号，以控制所述激光的波长锁定于目标气体的分子的吸收谱线的中心波长；

所述衰荡光谱测量通道(4)用于使所述激光通过所述被测混合气体，产生经该被测混合气体吸收的衰荡激光；

所述光探测装置(5)用于检测所述衰荡激光，并产生一个表示该衰荡激光的光强的衰荡光强信号；

所述数据处理装置(6)用于对所述衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果，该模数转换结果可用于计算所述目标气体的含量。

2.如权利要求1所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述锁定通道(2)包括一个调制装置(21)和一个气体吸收池(22)，

所述调制装置(21)用于对所述激光光源(1)输出的激光进行波长调制，使其波长在中心波长附近作周期性振荡，并将调制后的激光输送到所述气体吸收池(22)，同时产生一个同步调制信号；

所述气体吸收池(22)用于容纳纯的所述目标气体，并使入射的所述调制后的激光发生共振吸收。

3.如权利要求2所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，

所述调制装置(21)是连接于激光光源(1)的电源的电流调制信号源，其通过对激光光源(1)的电源电流附加一个微小的交流调制电信号，从而使激光光源(1)出射的激光波长产生所述波长调制。

4.如权利要求2所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述锁定装置(3)包括锁定通道探测器(31)和锁定控制器(32)，

所述锁定通道探测器(31)用于接收所述气体吸收池22输出的激光，并将该激光转换为表示其光强的参考光强信号；

所述锁定控制器(32)用于接收所述参考光强信号和同步调制信号，并将所述参考光强信号对所述同步调制电信号进行解调后进行比例积分放大，得到反映所述激光实际中心波长相对与目标气体分子吸收线中心波长的偏离的反馈控制信号。

5.如权利要求4所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述衰荡光谱测量通道(4)包括光开关(41)和光衰荡腔(43)，

所述光开关41由一个触发信号进行触发以打开或关闭，以控制激光通过该光开关41或阻止其通过该光开关41；

所述光衰荡腔43用于使入射到其中的激光来回多次反射，产生逐渐衰荡的所述衰荡激光。

6.如权利要求5所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，在所述光开关(41)与光衰荡腔(43)之间还可包括一个光束调节装置，用于接收通过所述光开关(41)的激光，并对该激光的光束方向和束径进行调节后使其耦合进入所述光衰荡腔(43)。

7.如权利要求6所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述光束调节装置是一个镜组(42)，该镜组由一个透镜和一个反射镜构成，经调节后的激光空间模式与所述光衰荡腔(43)匹配，使得其基横模光能够高效率地进入光衰荡腔(43)，而高阶横模被抑制。

8.如权利要求5所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述光探测装置(5)包括接收光路探测器(51)和比较触发控制器(52)，

所述接收光路探测器(51)用于接收所述衰荡激光，并将该衰荡激光转换为表示其光强的衰荡光强信号；

所述比较触发控制器(52)用于比较所述衰荡光强信号的幅度与一个阈值，当衰荡光强信号的幅度超过该阈值时，产生一个触发信号，并将该触发信号输送到所述光开关(41)和所述数据处理装置(6)；

所述光开关(41)用于在接收到该触发信号时关闭，并在一个预先设定的时间延时后再次打开。

9.如权利要求5-8中任一项所述的用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的***，其特征在于，所述计算目标气体的含量的方法为：

首先对所述模数转换结果进行拟合，得到所述光衰荡腔(43)在充有被测混合气体时的光腔衰荡时间τ，然后依据公式α＝(cτ)^-1-(cτ₀)^-1得到所述被测混合气体的在中心波长λ₀处的吸收率α(λ₀)，并根据N＝α(λ₀)φ/k得到目标气体在光衰荡腔中的密度，其中τ₀为所述光衰荡腔(43)在空腔时的光腔衰荡时间。

10.一种用于测量混合气体中所含的目标气体的含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

使一束激光通过纯的所述目标气体，产生一个对激光波长敏感的参考光强信号，根据所述参考光强信号产生一个反馈控制信号，以控制所述激光的波长锁定于目标气体的分子的吸收谱线的中心波长；

使所述激光还通过容纳于一个光衰荡腔中的所述被测混合气体，产生经该被测混合气体吸收的衰荡激光，并检测所述衰荡激光，产生一个表示该衰荡激光的光强的衰荡光强信号；

对所述衰荡光强信号进行模数转换并记录模数转换结果，对所述模数转换结果进行拟合，得到所述光衰荡腔(43)在充有被测混合气体时的光腔衰荡时间τ，然后依据公式α＝(cτ)^-1-(cτ₀)^-1得到所述被测混合气体的在中心波长λ₀处的吸收率α(λ₀)，并根据N＝α(λ₀)φ/k得到目标气体的密度，其中τ₀该光衰荡腔在空腔时的光腔衰荡时间。

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