探測順磁分子氣體的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型一般涉及激光傳感領(lǐng)域，具體地涉及利用法拉第旋光原理探測順磁分子氣體的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]順磁氣體分子是指外層電子軌道含不成對電子的分子，如一氧化氮，二氧化氮，氧氣，羥自由基等分子。對順磁氣體分子的高靈敏度探測，對大氣污染，大氣化學(xué)，燃燒動力學(xué)，基于呼氣中痕量分子的無創(chuàng)疾病檢測等領(lǐng)域均具有十分重要的意義。這些氣體分子人們用肉眼看不見，只有用儀器特殊的“眼”才能看到?；诨瘜W(xué)熒光(chemiluminesecence)和電化學(xué)(，electrochemical)技術(shù)的痕量(化學(xué)上指物質(zhì)含量在百萬分之一以下的量或濃度)氣體分析儀，是目前高精度氣體探測市場上最有競爭力的兩類產(chǎn)品。然而化學(xué)熒光技術(shù)可靠性差，需要臭氧作為反應(yīng)氣體，存在二次污染，且需要經(jīng)常校準(zhǔn)，儀器性價比低。電化學(xué)技術(shù)靈敏度較低，響應(yīng)時間滯后嚴(yán)重。而這兩種技術(shù)共同的一個最大問題是，信號極易受到樣品氣體中水和二氧化碳分子的干擾，測量結(jié)果存疑。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中還存在基于法拉第旋光原理的氣體分析技術(shù)，其能夠?qū)庀嗟捻槾欧肿訉崿F(xiàn)高靈敏度，高選擇性的傳感。該技術(shù)主要探測順磁分子在外加磁場下，對入射線偏振光的偏振角度旋轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。其中，偏振旋轉(zhuǎn)角度與順磁分子的濃度成正比。
[0004]圖1示出了傳統(tǒng)的法拉第光譜技術(shù)原理。如圖1所示，當(dāng)一束線偏振激光的頻率處于分子的吸收譜線頻率時，輸出光的偏振角度?會發(fā)生改變，Λ Θ = An*3iL/A。其中Δ Θ為偏振角度改變值，L為在磁場中的樣品的有效光程，λ為光波長，而Δη為磁場引起的樣品左旋和右旋光的折射率差，這一參數(shù)與氣體濃度，磁場強度以及譜線強度相關(guān)。當(dāng)激光通過置于氣體池之后的一個偏振檢偏器(符合Iwt= Iin*sin2 θ定律)時，偏振改變Λ Θ被轉(zhuǎn)換為光強度改變，通過光電探測以及信號解調(diào)，即可得到與氣體分子濃度相關(guān)的法拉第光譜信號。傳統(tǒng)法拉第光譜技術(shù)使用交變磁場(頻率為&)調(diào)制順磁分子，因此激光的偏振角度也被磁場調(diào)制，通過在&處的鎖相解調(diào)技術(shù)來獲取被調(diào)制的信號。通過施加交變磁場和鎖相解調(diào)的方法，可以有效濾除多種噪聲，比如激光源和光電探測器的寬譜噪聲，相干干涉噪聲(吸收光譜分析法的限制瓶頸)，以及抑制非順磁分子(如水，二氧化碳等)產(chǎn)生的光譜干涉信號等。這樣可以有效地提高傳感器的信噪比。因此通過施加磁場調(diào)制的法拉第光譜技術(shù)，可以比基于分子吸收的光譜技術(shù)具有更高的探測靈敏度。
[0005]然而，從實際產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的角度來看，上述傳統(tǒng)的單獨調(diào)制磁場的法拉第光譜氣體分析技術(shù)存在著以下兩個主要缺點:
[0006]1.由于信號解調(diào)頻率恰好處于磁線圈的電磁輻射頻率上，而解調(diào)電路總會因為電磁屏蔽做得不夠理想，而引入一些磁線圈的電磁輻射。這個電磁干擾信號恰恰與光探測器獲取的信號處于同一頻率。在鎖相解調(diào)時，電磁干擾信號會疊加在真實信號上，使其具有非零偏置。這樣，系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定性會由于疊加了一個隨時間緩慢漂移的非零偏置值而變差。
[0007]2.為了讓磁線圈產(chǎn)生足夠強度的交變磁場，磁線圈的匝數(shù)一般都較大。這就使得磁線圈的感抗較大，因此磁場的調(diào)制頻率被限制在1kHz以內(nèi)。這就意味著，激光的偏振信號調(diào)制頻率也被限制在1kHz以下。而此頻率范圍，恰好是激光器相對強度噪聲(RIN)較大的頻率區(qū)間。因此，系統(tǒng)的信噪比和靈敏度，被激光器基帶的高強度噪聲限制無法進(jìn)一步
[0008]因此，需要一種具有增強的系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性和/或提高的系統(tǒng)靈敏度的探測氣體的方法和系統(tǒng)。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]本申請針對傳統(tǒng)的探測順磁分子氣體的技術(shù)缺點，提出一種能夠增強系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性和/或提高系統(tǒng)靈敏度的探測氣體的方法和系統(tǒng)。
[0010]在一方面，提供一種探測順磁分子氣體的方法，包括:將第一頻率的交變磁場施加于氣體池中的待測氣體；對第一激光束進(jìn)行波長調(diào)制以產(chǎn)生具有第二頻率的波長調(diào)制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率；將波長調(diào)制的第一激光束轉(zhuǎn)換成偏振光，將該偏振光入射到氣體池，并且將從氣體池輸出的激光束轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制的激光束；通過光電轉(zhuǎn)換將該強度調(diào)制的激光束轉(zhuǎn)換為電信號；以及解調(diào)該電信號，以獲得待測氣體的光譜信息。
[0011]在另一方面，提供一種探測順磁分子氣體的系統(tǒng)，包括:氣體池，其內(nèi)部充有利用第一頻率的交變磁場調(diào)制的待測氣體；第一激光器，其產(chǎn)生具有第二頻率的波長調(diào)制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率；起偏器，其將波長調(diào)制的第一激光束轉(zhuǎn)換成偏振光，并將該偏振光入射到氣體池；檢偏器，其將從氣體池輸出的激光束轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制的激光束；光電探測器，其通過光電轉(zhuǎn)換將該強度調(diào)制的激光束轉(zhuǎn)換為電信號；以及第一信號解調(diào)器，其解調(diào)電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
[0012]通過本實用新型的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)技術(shù)更高的靈敏度，更好的系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性，以及更簡單的系統(tǒng)構(gòu)造。
【附圖說明】
[0013]通過下面的結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行的詳細(xì)說明，可以更全面地理解本實用新型，其中:
[0014]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的原理圖；
[0015]圖2示出了根據(jù)一個實施例實現(xiàn)本實用新型的系統(tǒng)圖；
[0016]圖3示出了本實用新型的實施例與現(xiàn)有技術(shù)的信號的電頻譜對比圖；
[0017]圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)獲得的信號光譜圖；
[0018]圖5示出了根據(jù)本實用新型的實施例獲得的信號光譜圖；
[0019]圖6示出了根據(jù)本實用新型另一個實施例獲得的信號隨氣體濃度變化的響應(yīng)圖；
[0020]圖7示出了根據(jù)本實用新型的另一個實施例獲得的系統(tǒng)圖；以及
[0021]圖8示出了根據(jù)本實用新型的實施例的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]現(xiàn)在將對本實用新型的特定實施例詳細(xì)做出參考。在附圖中示出了這些特定實施例的示例。雖然結(jié)合這些特定實施例描述本實用新型，但是應(yīng)當(dāng)理解，不預(yù)期將本實用新型限制到描述的實施例。相反地，意圖涵蓋可以被包括在如附加權(quán)利要求書所定義的本實用新型的精神和范圍之內(nèi)的替換、修改和變化。在下面說明書中，闡述細(xì)節(jié)以便提供對本實用新型的更徹底的理解。在沒有某些或所有這些細(xì)節(jié)的情況下可以實踐本實用新型。此外，公知的特征可以不被詳細(xì)描述以避免不必要地模糊本實用新型。
[0023]首先參考圖2說明本實用新型的基本原理。
[0024]如圖2所示，本實用新型通過對激光器進(jìn)行高頻調(diào)制，通過載波將原來的低頻法拉第信號調(diào)制到較高頻率F1，從而與磁線圈的頻率&區(qū)分開來。
[0025]因此，與傳統(tǒng)的法拉第光譜技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)不僅對磁場進(jìn)行頻率為fQ的調(diào)制，也對激光器的波長進(jìn)行頻率為“的調(diào)制。因此本實用新型的技術(shù)可以被稱為雙調(diào)制法拉第光譜技術(shù)。
[0026]下面接合圖3對雙調(diào)制法拉第光譜技術(shù)的原理進(jìn)行說明。圖3示出的是對雙調(diào)制法拉第光譜技術(shù)的信號譜分析。圖3中的a是傳統(tǒng)法拉第光譜技術(shù)的信號譜，由于只有交變磁場調(diào)制，信號處于低頻&處；圖3中的b是只有波長調(diào)制時的信號譜，因此信號處于波長調(diào)制的較高頻率處；圖3中的c是處于波長調(diào)制與磁場調(diào)制共同作用下的信號譜，混頻后的頻譜具有通信系統(tǒng)調(diào)幅信號的特征一一以為載波，邊帶信號處于^ifci處。
[0027]返回來繼續(xù)參考圖2，該系統(tǒng)包括一個氣體池，即法拉第腔，其內(nèi)部充有利用第一頻率&的交變磁場調(diào)制的待測氣體。一激光器產(chǎn)生具有第二頻率f i的波長調(diào)制的第一激光束。如上所述，第二頻率高于第一頻率f O。起偏器將波長調(diào)制的第一激光束轉(zhuǎn)換成線偏振光，并將該偏振光入射到氣體池。氣體池之后是檢偏器，其將從氣體池輸出的偏振被調(diào)制的激光束轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制的激光束。然后是光電探測器，其通過光電轉(zhuǎn)換將該強度調(diào)制的激光束轉(zhuǎn)換為電信號。最后通過第一信號解調(diào)器來解調(diào)電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
[0028]對于解調(diào)方法，根據(jù)上述參考圖3的信號譜分析，利用調(diào)幅信號解調(diào)方法，