專利名稱：基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種痕量氣體的檢測方法以及針對氣體分析的激光光譜測量裝置及方法，可以連續(xù)快速地測量極低濃度的氣體含量，比如CH4j20、C0、N0等氣體(這類低濃度的氣體一般統(tǒng)稱為痕量氣體)，還可以測量含有穩(wěn)定性同位素的氣體濃度，比如13CO2、H218O、 13CH4,因此也可用于測量碳?xì)溲醯姆€(wěn)定同位素比值(13C/12C、180/lfi0和D/H)。
背景技術(shù)：
痕量氣體是指大氣中濃度低于10_6的氣體，如大氣中的CO、N2O, SO2, 03、NO、NO2, CH4, NH3, H2S、鹵化物、有機化物等等都屬于痕量氣體。它們受到各種物理的、化學(xué)的、生物的、地球過程的作用并參與生物地球化學(xué)的循環(huán)，對全球大氣環(huán)境及生態(tài)引起重大的影響， 例如光化學(xué)煙霧、酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等無不與痕量氣體有關(guān)，因此對大氣中痕量氣體進(jìn)行監(jiān)測具有十分重要的意義。同樣，穩(wěn)定同位索比值的測量在地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)和地球科學(xué)的研究中具有重要的應(yīng)用價值。許多物理和化學(xué)過程，可利用同位素進(jìn)行區(qū)別。如對大氣中^ /1 比值的準(zhǔn)確測量可以用來判定CO2的源和匯，并且區(qū)別生物和人類對大氣 CO2的貢獻(xiàn)；在水循環(huán)研究中，研究大氣水汽中穩(wěn)定同位素變化對于揭示水汽來源以及水汽輸送過程都有著重要的指示意義，因此穩(wěn)定同位素比值的測量也十分必要。傳統(tǒng)的氣體檢測方法主要有化學(xué)方法和光學(xué)方法，其中的化學(xué)方法主要包括化學(xué)發(fā)光法以及電化學(xué)方法。由于化學(xué)方法通常需要做樣本的預(yù)處理，過程復(fù)雜以及耗時，并且容易受到其它物質(zhì)的干擾，還可能引起人工產(chǎn)物，尤其不適合實時的連續(xù)測量。同位素比值的測定方法更是采用質(zhì)譜，精度高但費時費力，如對于CH4中31 * SD的測量，由于13CH4 和12CH3D微小的質(zhì)量差別(0. 003amu)，必須將CH4催化氧化為C02以對δ 13C進(jìn)行分析，將產(chǎn)生的H2O還原為H2以對SD進(jìn)行分析。由于無法實現(xiàn)實時的連續(xù)測量，使得光學(xué)方法成為人們?nèi)找媲嗖A的測量技術(shù)。目前國內(nèi)的安徽光學(xué)精密機械研究所、大氣物理所、北京大學(xué)針對痕量氣體的檢測方法以及檢測設(shè)備的研發(fā)已開展了一系列的研究工作。對于so2、O3、NO2、有機化物等在紫外-可見波段具有“指紋”吸收的氣體，利用紫外-可見差分吸收光譜(D0AQ的方法可以實現(xiàn)在大氣中的靈敏檢測；對VOCs、CH4、N2O, CO、NH3等在紅外波段具有“指紋”吸收的氣體可利用傅里葉紅外變換光譜(FTIR)的方法檢測，精度和靈敏度都很高，但相應(yīng)速度較慢，不適合需要快速測量的場合；對CH0NH3^H2S等在近紅外波段具有分立吸收譜線的氣體，可利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAQ的方法進(jìn)行檢測，靈敏度高且響應(yīng)速度快。但依靠這些方法并不能完全滿足環(huán)境監(jiān)測的需要。每種方法有其優(yōu)勢，但也有很大的局限性。當(dāng)前這些方法相應(yīng)的設(shè)備已實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)。而針對穩(wěn)定同位素比值的研究則相對起步較晚，主要還是使用國外進(jìn)口的傳感器，迫切需要研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)產(chǎn)品和儀器設(shè)備。量子級聯(lián)激光器是近年來發(fā)展起來的理想的中紅外光源，具有寬的調(diào)諧范圍，高的輸出功率，并且能夠在室溫下工作。由于量子級聯(lián)激光器在中紅外區(qū)有大范圍的輸出波長(4. 3-Μμπι)，覆蓋了大量氣體分子振轉(zhuǎn)能級的基頻吸收，可以檢測大氣中低濃度水平的痕量氣體。將有效的中紅外光源與可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)相結(jié)合，通過多次反射池增加光程，可以實現(xiàn)對多種痕量氣體的高靈敏檢測以及對穩(wěn)定同位素比值的測量，該方法具有測量靈敏度高，精度高，響應(yīng)速度快的特點，可彌補現(xiàn)有檢測方法與技術(shù)上的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置及方法，以可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器作為光源，采用長脈沖自加熱的測量模式， 所測結(jié)果受激光器光強波動的影響較小，并且測量過程無需標(biāo)氣標(biāo)定。設(shè)計了基于量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜技術(shù)的檢測裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只要改變激光器，就可從一種痕量分子的測量切換為另一種痕量分子的測量，甚至實現(xiàn)同位素比值的快速、準(zhǔn)確在線分析檢測。特別是設(shè)計了用于光路調(diào)整和校準(zhǔn)的同軸光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠用于中紅外光斑的指示和快速準(zhǔn)確定位。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置，包括有量子級聯(lián)激光器和反射池，其特征在于所述量子級聯(lián)激光器的前方光路上依次設(shè)有二道平面反射鏡和對紅外光全透、對可見光全反的合束片，所述合束片透射光路的前方設(shè)有第一角反射鏡，所述第一角反射鏡的反射面朝向所述反射池的入光口 ；所述反射池出光口的前方設(shè)有第二角反射鏡，所述第二角反射鏡的入射面朝向所述反射池的出光口，所述第二角反射鏡的反射光路上依次設(shè)有CaF2聚焦透鏡和碲鎘汞探測器；所述的量子級聯(lián)激光器和碲鎘汞探測器分別通過控制單元和高速數(shù)據(jù)采集單元接入計算機；還包括有633nm的He-Ne 激光器，所述633nm的He-Ne激光器的出射口朝向所述的合束片，所述633nm的He-Ne激光器發(fā)出紅光并作為指示光，經(jīng)過合束片反射后與合束片的透射光合束。一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測方法，其特征在于其具體包括以下步驟(1)、以在室溫下工作的脈沖量子級聯(lián)激光器作為光源，在量子級聯(lián)激光器的前方光路上依次設(shè)置二道平面反射鏡和對紅外光全透、對可見光全反的合束片，二道平面反射鏡的作用是對紅外光束進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，避免人為地誤操作以及頻繁地調(diào)節(jié)激光器，使得量子級聯(lián)激光器發(fā)出的光束在上下左右方向上均可調(diào)，以此獲得更大的調(diào)節(jié)范圍；然后在合束片透射光路的前方設(shè)置第一角反射鏡，第一角反射鏡的反射面朝向反射池的入光口 ； 在反射池出光口的前方設(shè)置第二角反射鏡，第二角反射鏡的入射面朝向反射池的出光口， 在第二角反射鏡的反射光路上依次設(shè)置Cai^2聚焦透鏡和碲鎘汞探測器；將量子級聯(lián)激光器和碲鎘汞探測器分別通過控制單元和高速數(shù)據(jù)采集單元接入計算機；將633nm的He-Ne激光器發(fā)出的紅光作為指示光，來輔助調(diào)節(jié)光路；O)、針對所測氣體的譜線特征選取測量波段，量子級聯(lián)激光器采用長脈沖自加熱的測量模式，即將量子級聯(lián)激光器的脈沖寬度設(shè)置在幾百個納秒，脈沖電流設(shè)為幾安培，疊加在一個緩慢增加到設(shè)定值的直流電壓后驅(qū)動量子級聯(lián)激光器，高于激光閾值電流的長脈沖在持續(xù)期間產(chǎn)生一個電流脈沖，引起量子級聯(lián)激光器局部自加熱，這種熱量在瞬間不會被溫度控制器補償，因此激光調(diào)諧頻率作為時間的函數(shù)，幾乎是線性地往更低波數(shù)或更低頻率變化，通過這種方法可以達(dá)到IcnT1以上的調(diào)諧范圍和幾百納秒量級的調(diào)諧時間，因此可以在一個激光脈沖上掃描并獲得氣體分子完整的吸收譜線；(3)、向反射池內(nèi)充入待測氣體的標(biāo)準(zhǔn)濃度樣氣，在選定的測量波段內(nèi)，將所得吸收光譜圖與已知的HITRAN數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)氣體的譜線位置對比，確定光譜中吸收的位置以及針對相應(yīng)待測氣體具體的溫度和電壓參數(shù)；(4)、在實際測量時，首先將量子級聯(lián)激光器工作參數(shù)設(shè)置到待測氣體具體的溫度和電壓參數(shù)下，然后把過濾后的氣體混合物抽入反射池中，將所得吸收光譜與之前保存的樣氣譜線特征對比，確定所測氣體是否含有預(yù)期氣體成分；(5)、利用HITRAN數(shù)據(jù)庫提供的譜線參數(shù)對氣體濃度進(jìn)行反演，反演過程基于 Lambert-Beer 定律
權(quán)利要求
1.一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置，包括有量子級聯(lián)激光器和反射池，其特征在于所述量子級聯(lián)激光器的前方光路上依次設(shè)有二道平面反射鏡和對紅外光全透、對可見光全反的合束片，所述合束片透射光路的前方設(shè)有第一角反射鏡，所述第一角反射鏡的反射面朝向所述反射池的入光口 ；所述反射池出光口的前方設(shè)有第二角反射鏡，所述第二角反射鏡的入射面朝向所述反射池的出光口，所述第二角反射鏡的反射光路上依次設(shè)有CaF2聚焦透鏡和碲鎘汞探測器；所述的量子級聯(lián)激光器和碲鎘汞探測器分別通過控制單元和高速數(shù)據(jù)采集單元接入計算機；還包括有633nm的He-Ne激光器，所述633nm的He-Ne激光器的出射口朝向所述的合束片，所述633nm的He-Ne激光器發(fā)出紅光并作為指示光，經(jīng)過合束片反射后與合束片的透射光合束。
2.一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測方法，其特征在于其具體包括以下步驟(1)、以在室溫下工作的脈沖量子級聯(lián)激光器作為光源，在量子級聯(lián)激光器的前方光路上依次設(shè)置二道平面反射鏡和對紅外光全透、對可見光全反的合束片，二道平面反射鏡的作用是對紅外光束進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，避免人為地誤操作以及頻繁地調(diào)節(jié)激光器，使得量子級聯(lián)激光器發(fā)出的光束在上下左右方向上均可調(diào)，以此獲得更大的調(diào)節(jié)范圍；然后在合束片透射光路的前方設(shè)置第一角反射鏡，第一角反射鏡的反射面朝向反射池的入光口 ；在反射池出光口的前方設(shè)置第二角反射鏡，第二角反射鏡的入射面朝向反射池的出光口，在第二角反射鏡的反射光路上依次設(shè)置CaF2聚焦透鏡和碲鎘汞探測器；將量子級聯(lián)激光器和碲鎘汞探測器分別通過控制單元和高速數(shù)據(jù)采集單元接入計算機；將633nm的He-Ne激光器發(fā)出的紅光作為指示光，來輔助調(diào)節(jié)光路；O)、針對所測氣體的譜線特征選取測量波段，量子級聯(lián)激光器采用長脈沖自加熱的測量模式，即將量子級聯(lián)激光器的脈沖寬度設(shè)置在幾百個納秒，脈沖電流設(shè)為幾安培，疊加在一個緩慢增加到設(shè)定值的直流電壓后驅(qū)動量子級聯(lián)激光器，高于激光閾值電流的長脈沖在持續(xù)期間產(chǎn)生一個電流脈沖，引起量子級聯(lián)激光器局部自加熱，這種熱量在瞬間不會被溫度控制器補償，因此激光調(diào)諧頻率作為時間的函數(shù)，幾乎是線性地往更低波數(shù)或更低頻率變化，通過這種方法可以達(dá)到IcnT1以上的調(diào)諧范圍和幾百納秒量級的調(diào)諧時間，因此可以在一個激光脈沖上掃描并獲得氣體分子完整的吸收譜線；(3)、向反射池內(nèi)充入待測氣體的標(biāo)準(zhǔn)濃度樣氣，在選定的測量波段內(nèi)，將所得吸收光譜圖與已知的HITRAN數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)氣體的譜線位置對比，確定光譜中吸收的位置以及針對相應(yīng)待測氣體具體的溫度和電壓參數(shù)；(4)、在實際測量時，首先將量子級聯(lián)激光器工作參數(shù)設(shè)置到待測氣體具體的溫度和電壓參數(shù)下，然后把過濾后的氣體混合物抽入反射池中，將所得吸收光譜與之前保存的樣氣譜線特征對比，確定所測氣體是否含有預(yù)期氣體成分；(5)、利用HITRAN數(shù)據(jù)庫提供的譜線參數(shù)對氣體濃度進(jìn)行反演，反演過程基于 Lambert-Beer 定律
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的痕量氣體檢測裝置及方法，以可調(diào)諧的量子級聯(lián)激光器作為光源，利用氣體分子在中紅外波段的基頻“指紋”吸收特征獲得待測氣體分子的濃度信息；利用直接吸收光譜技術(shù)，所測結(jié)果受激光器光強波動的影響較小，具有較高的信噪比和一定的抗干擾能力；將測得的光譜與HITRAN數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)氣體的譜線特征對比，可分析確定所測氣體是否含有預(yù)期氣體成分，并且利用HITRAN數(shù)據(jù)庫提供的譜線參數(shù)進(jìn)行濃度反演。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，使用維護(hù)方便，具有測量靈敏度高，精度高，響應(yīng)速度快的特點，可實現(xiàn)多種痕量氣體及同位素比值的快速、準(zhǔn)確在線分析檢測，能夠用于中紅外光斑的指示和快速準(zhǔn)確定位。
文檔編號G01N21/39GK102175641SQ20101058354
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者劉建國, 劉文清, 張亮, 張玉鈞, 湯媛媛, 許振宇, 闞瑞鋒 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所