CN111077084B - 使用渐逝波于光声光谱的检测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明关于使用渐逝波于光声光谱的检测方法及其装置。本发明涉及提供一充填有待测气体的共振腔，以及提供一光纤于该共振腔内产生渐逝波(Evanescent field)，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处；依据本发明的检测方法于光声光谱中可实现高的探测灵敏度以及低的侦测极限。

Description

使用渐逝波于光声光谱的检测方法及其装置
技术领域
本发明有关一种于光声光谱中可实现高的探测灵敏度以及低的侦测极限的检测方法及其装置。
背景技术
光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生热能的技术，可用于定性、定量检测在溶液或液体介质或气体、固体中的各种物质。而用于气体检测***中，如图1所示，通过对单色光源11进行调制(强度调制/波长调制)产生激发光并耦合至光声池12中；光声池12内特定气体分子吸收光能后受激跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁将能量转化为动能，在光声池12内形成压力波；利用传声器13检测压力波的强度，并根据光声信号幅度与入射光强、气体吸收系数和含量的正比关系，确定光声池内受光激发气体分子的含量。
其中，光声池是气体光声效应的发生场所，是光声光谱监测***中的关键部分，甚至直接决定***的检测灵敏度。而依据光声池的工作方式可以分为共振型和非共振型两种，共振式光声池的原理是声波在腔体中传输时，在腔体中谐振形成驻波，无需密封腔室，并起到共振放大的作用。通过调制光源照射频率使其与声波在腔室中传播的频率重合形成共振，这样可以将光声信号进行共振放大。与非共振光式声池相比，共振式光声池利用声波的共振增强特性，可以避开低频噪音的影响，故相较于非共振光式声池，共振光式声池具有受低频杂讯影响小、信噪比高、可检测流动气体等优点。
而一般光源汇聚入射于光声池内，其具有下列缺点。
1、光声池的设计影响检测灵敏度，该光声池的腔体长度越长、体积越小时，有利于光声信号的增强，可提高检测灵敏度；但由于光源光束应避免照射到腔体壁面上，以免产生背景杂讯，腔体的体积受到入射光光束尺寸的限制，故检测灵敏度无法提升，亦无法实现较低的侦测极限。
2、共振式光声池主要是利用光波与声波在腔室中的模态匹配作用，达到共振放大的效果；然，光源光束入射于腔体中，相对声波在腔体所形成驻波的波腹及波节处，光源强度及振幅均相同，在驻波的波腹处无法达到共振增强放大的效果，而在波节处的光源则形成浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种于光声光谱中可实现高的探测灵敏度以及低的侦测极限的检测方法及其装置。
本发明的检测方法提供一充填有待测气体的共振腔，以及提供一光纤于该共振腔内产生渐逝波(Evanescent field) ，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处。
本发明另提供一种检测装置，至少包含有：一光源；一共振腔，其内填充有待测气体；一光纤，配置于该共振腔内，供接收该光源并产生一渐逝波；一感测器，连接至该共振腔或配置其内，用以侦测该共振腔内的待测气体动态压力变化，并输出一对应的光声讯号；以及一分析单元，与该感测器连接，接收该光声讯号，以分析该待测气体的种类及浓度；其中，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处。
依据上述技术特征，所述共振腔为纵向圆柱形共振腔，该驻波于该纵向圆柱形共振腔的强度变化方向为轴向；或者，该共振腔为球形共振腔，该驻波于该球形共振腔的强度变化方向为周向(圆周方向)及径向。
依据上述技术特征，所述光纤具有至少一去除纤衣区段以供产生该渐逝波，而该去除纤衣区段则对应该驻波的波腹。
依据上述技术特征，所述光纤具有至少一拉细区段以供产生该渐逝波，而该拉细区段则对应该驻波的波腹。
依据上述技术特征，所述光纤具有至少一弯曲区段以供产生该渐逝波，而该弯曲区段则对应该驻波的波腹。
附图说明
图1为习有检测***的结构示意图。
图2为本发明中检测装置的结构示意图。
图3为本发明中共振腔的结构示意图。
图4为本发明中光纤的结构示意图。
图5为本发明中驻波与渐逝波的波形示意图。
图6为本发明中检测方法的结构示意图。
图号说明：
波腹A
驻波B
波节C
渐逝波E
轴向F1
周向F2
径向F3
光源11
光声池12
传声器13
光源21
共振腔22
进气口221
出气口222
光纤23
去除纤衣区段231
拉细区段232
颈区2321
锥区2322
弯曲区段233
感测器24
分析单元25。
具体实施方式
首先，本发明提供一种检测方法，主要使用渐逝波于光声光谱，以控制光源于光声池中的出光位置相对于声波振幅最大的位置，使光声池中光波与声波的模态可以匹配达到放大效果，以实现高的探测灵敏度以及低的侦测极限。
如图2所示为本发明中检测装置的结构示意图，本发明的检测装置至少包含有：一光源21、一共振腔22、一光纤23、一感测器24以及一分析单元25；其中：该光源21按照辐射特性，光源可分为非相干光源和相干的雷射光源两类。与非相干光源相比，雷射光源具有功率大、单色性及准直性好的特点，能够提高气体的检测灵敏度，降低气体间的交叉吸收干扰；而各种气体都有其对应的吸收频段，合理地选择对应气体吸收频段的雷射器发射波长是提高***灵敏度的重要手段。
该共振腔22其内填充有待测气体，如图所示的实施例中，该共振腔22可进一步设有一进气口221及出气口222，藉以填充待测气体于该共振腔22内；而常用的共振腔22构形可同时图3所示，可以为纵向圆柱形共振腔，或者球形共振腔；其中，当声波在该共振腔内形成驻波，该驻波于该纵向圆柱形共振腔的强度变化方向为轴向F1，而该驻波于该球形共振腔的强度变化方向为周向(圆周方向)F2及径向F3。
该光纤23配置于该共振腔22内，供接收该光源21并产生一渐逝波；而常用的光纤23构型可同时参阅图4所示，可利用去纤衣光纤、拉细光纤或弯曲光纤等方式，加强渐逝波的强度；其中，去纤衣光纤具有至少一去除纤衣区段231以供产生该渐逝波E，其可利用蚀刻或机械方式去除部分纤衣，而形成去除纤衣区段231。而拉细光纤具有至少一拉细区段232以供产生该渐逝波E，其可利用融烧拉细光纤方式形成拉细区段232，其拉细区段232由中心的颈区2321以及颈区2321两端的锥区2322所构成。而弯曲光纤具有至少一弯曲区段233以供产生该渐逝波E。当然，加强渐逝波强度的方式亦可以为业界所熟知的其他光纤构型。
该感测器24连接至该共振腔22，用以侦测该共振腔22内的待测气体动态压力变化，并输出一对应的光声讯号；其中，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，于该共振腔内会产生声波，故大多使用麦克风作为感测器并设置于该共振腔内来感测接收声波，而麦克风探测到的信号与其所处位置压力的振幅成正比，因此把麦克风放在声波的波腹位置，可以衰减外部杂讯造成的谐振。
该分析单元25与该感测器24连接，接收该光声讯号，以分析该待测气体的种类及浓度。
本发明利用光纤配置于该共振腔内，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处，以控制光源于光声池中的出光位置相对于声波振幅最大的位置(亦即波腹处)，使光声池中光波与声波的模态可以匹配达到放大效果，例如：将渐逝波置于声波驻波波腹中心1/3处，如图5所示，以圆柱形共振腔的轴向驻波为例，渐逝波E于波腹A前后区域并涵盖1/3半波长的范围，而靠近波节C处则不出光，可以提高约2.25倍的讯号强度，增加检测灵敏度。且本发明利用光纤来控制光源出光，光纤结构上的特性其截面积小，让共振腔的设计可以朝向长度越长、体积越小的设计，有利于光声信号的增强，例如：可将一般截面半径2.5mm的圆柱形共振腔，改善为截面半径0.25mm，则光声信号可增强约100倍，以实现高的探测灵敏度以及低的侦测极限。再者，声波在球形共振腔的径向模式中，不存在粘滞损耗，因此比纵向圆柱形共振腔有更好的声学性能，亦即其品质因数(Q值)更高，比圆柱形共振腔高1~2个数量级。而本发明利用光纤控制渐逝波位置更有利于应用于球形共振腔，可将探测灵敏度提高1~2个数量级，亦即增加10~100倍。更进一步地，本发明更可利用多根光纤发出不同波长的光源，藉以检测多种不同气体。
实际操作使用上，如图6所示，以纵向圆柱形共振腔22为例，若驻波B频率为1，其波腹A位置则位于该纵向圆柱形共振腔22的中央位置处，此时若光纤23使用去纤衣光纤，则该去除纤衣区段231则对应该驻波的波腹A，亦即该去除纤衣区段231位于该纵向圆柱形共振腔22的中央位置处，让渐逝波E位置相对于该驻波的波腹A。若光纤23使用拉细光纤，则该拉细区段232则对应该驻波的波腹A，且位于该纵向圆柱形共振腔22的中央位置处。若光纤23使用弯曲光纤，则该弯曲区段233则对应该驻波的波腹A，且位于该纵向圆柱形共振腔22的中央位置处。当然，若使用不同构形的共振腔或驻波频率不同时，其波腹位置会改变，而渐逝波位置亦会改变。

Claims (6)

1.一种使用渐逝波于光声光谱的检测方法，其特征在于，提供一充填有待测气体的共振腔，以及提供一光纤于该共振腔内产生渐逝波，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处；其中，该共振腔为纵向圆柱形共振腔，该驻波于该纵向圆柱形共振腔的强度变化方向为轴向，该光纤具有至少一去除纤衣区段、至少一拉细区段或至少一弯曲区段分别可产生该渐逝波，而该去除纤衣区段、该拉细区段或该弯曲区段则对应该驻波的波腹。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，该渐逝波于该波腹前后区域并涵盖1/3半波长的范围，而靠近该驻波的波节处则不出光。
3.一种使用渐逝波于光声光谱的检测方法，其特征在于，提供一充填有待测气体的共振腔，以及提供一光纤于该共振腔内产生渐逝波，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处；其中，该共振腔为球形共振腔，该驻波于该球形共振腔的强度变化方向为周向及径向，该光纤具有至少一去除纤衣区段、至少一拉细区段或至少一弯曲区段分别可产生该渐逝波，而该去除纤衣区段、该拉细区段或该弯曲区段则对应该驻波的波腹。
4.一种使用渐逝波于光声光谱的检测装置，其特征在于，至少包含有：
一光源；
一共振腔，其内填充有待测气体，该共振腔为纵向圆柱形共振腔，驻波于该纵向圆柱形共振腔的强度变化方向为轴向；
一光纤，配置于该共振腔内，供接收该光源并产生一渐逝波；
一感测器，连接至该共振腔或配置于其内，用以侦测该共振腔内的待测气体动态压力变化，并输出一对应的光声讯号；以及
一分析单元，与该感测器连接，接收该光声讯号，以分析该待测气体的种类及浓度；
其中，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处；其中，该光纤具有至少一去除纤衣区段、至少一拉细区段或至少一弯曲区段分别可产生该渐逝波，而该去除纤衣区段、该拉细区段或该弯曲区段则对应该驻波的波腹。
5.如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，该渐逝波于该波腹前后区域并涵盖1/3半波长的范围，而靠近该驻波的波节处则不出光。
6.一种使用渐逝波于光声光谱的检测装置，其特征在于，至少包含有：
一光源；
一共振腔，其内填充有待测气体，该共振腔为球形共振腔，驻波于该球形共振腔的强度变化方向为周向及径向；
一光纤，配置于该共振腔内，供接收该光源并产生一渐逝波；
一感测器，连接至该共振腔或配置于其内，用以侦测该共振腔内的待测气体动态压力变化，并输出一对应的光声讯号；以及
一分析单元，与该感测器连接，接收该光声讯号，以分析该待测气体的种类及浓度；
其中，该待测气体受该渐逝波的激发而产生光声效应，且于该共振腔内产生声波，该声波在该共振腔内谐振形成驻波，而该渐逝波的位置则相对于该驻波的一波腹处；其中，该光纤具有至少一去除纤衣区段、至少一拉细区段或至少一弯曲区段分别可产生该渐逝波，而该去除纤衣区段、该拉细区段或该弯曲区段则对应该驻波的波腹。
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