基于兩種量子級聯(lián)激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及激光光譜檢測和氣體檢測技術領域，具體為一種基于兩種量子級 聯(lián)激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的氣體成分檢測方法主要有化學方法和光學方法?；瘜W方法通常需要對待分 析物進行預處理，過程復雜、耗時，易破壞樣品的原狀態(tài)及產生二次污染物；光學光譜方法 具有非接觸性、非破壞、選擇性強和響應快等優(yōu)點，可實現(xiàn)實時原位的連續(xù)分析，使得其被 廣泛地應用于大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)處理控制、燃燒成分檢測和呼吸氣體診斷等領域。
[0003] 常用的光學光譜方法有直接吸收光譜法和波長調制光譜法。直接吸收光譜法是 一種基于朗伯-比爾定律的直接檢測方法，該方法通過分析光強的微弱變化量，即可反演 出被檢測樣品的濃度、速度、溫度等信息，但存在易受各種電子學和光學噪聲干擾、靈敏度 有限等缺點。波長調制光譜是結合鎖相檢測原理，實現(xiàn)抑制噪聲的高靈敏度間接檢測方法， 但需要通過已知濃度樣品校正后（標氣校正），才能獲取其他未知樣品的濃度信息，較為復 雜。
[0004] 中紅外光譜區(qū)（2. 5-25ym)包含了大多數(shù)氣體分子振轉能級的基頻帶，成為高靈 敏度痕量氣體檢測的理想波段。量子級聯(lián)激光器（QCL)作為一種新型的半導體激光，具有 體積小、壽命長、功耗低、線寬窄、功率相對較高和易于集成的特點，已成為中紅外痕量氣體 傳感器研究的理想光源。QCL的寬波長調諧范圍和快速響應特性可實現(xiàn)對多種氣體分子的 同時高分辨率、高靈敏度檢測。相比于傳統(tǒng)的基于多個近紅外激光器分時掃描的激光時分 多路探測技術才能實現(xiàn)多種氣體同時分析的方法，系統(tǒng)更緊湊，有效測量周期更高。
[0005] 現(xiàn)有的研究中，利用量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨采用直接吸收光譜法或波長 調制光譜法進行氣體檢測都已得到實際應用，如：中國專利公開號分別為CN102175641A和 CN104596987A的發(fā)明專利。前者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，該方法利用脈沖量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨采用直接吸收 光譜法，存在易受各種電子學和光學噪聲干擾、靈敏度有限、氣體濃度反演方法可靠性和測 量精度低等缺點；后者公開了一種基于中紅外光譜的長光程開放光路結合波長調制技術的 痕量氣體探測方法和裝置，該方法利用連續(xù)量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨采用波長調制 光譜法，存在需要額外標氣頻繁校正、高壓下壓力加寬效應降低靈敏度和可靠性等缺點。
[0006] 實際應用中上述兩種傳統(tǒng)方法都不夠理想。本實用新型擬采用同時利用直接吸收 光譜法和波長調制光譜法對氣體進行檢測，此種方法能夠克服只采用一種光譜方法進行氣 體檢測時所存在的缺陷，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)任何關于同時采用上述兩種基于量子級聯(lián) 激光光譜方法對單一成分氣體或者多組分氣體進行檢測的研究。 【實用新型內容】
[0007] 針對現(xiàn)有技術中的問題，本實用新型提供一種以室溫下工作的連續(xù)模式中紅外量 子級聯(lián)激光器作為光源，同時利用直接吸收光譜法和波長調制光譜法，無需外界標氣校正、 高靈敏度、高精度的氣體檢測裝置。
[0008] 為實現(xiàn)以上技術目的，本實用新型的技術方案是：
[0009]基于兩種量子級聯(lián)激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置，包括任意波函數(shù)發(fā)生 器、室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器、聚焦準直三維調節(jié)系統(tǒng)、第一反射鏡、樣品吸收 池、離軸拋物面鏡、第一探測器、數(shù)據(jù)采集單元和計算機，所述室溫連續(xù)模式中紅外量子級 聯(lián)激光器具有溫度控制單元和電流控制單元；
[0010] 所述任意波函數(shù)發(fā)生器輸出只在任意半周期內疊加調制信號的周期性信號作為 室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的電流驅動信號，所述電流驅動信號通過電流控制單 元對室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的注入電流進行驅動；
[0011] 所述室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器作為光源發(fā)出激光信號；
[0012] 所述聚焦準直三維調節(jié)系統(tǒng)對激光信號進行聚焦準直；
[0013]所述第一反射鏡將聚焦準直后的激光信號耦合到樣品吸收池；
[0014] 所述樣品吸收池充有待測氣體，所述激光信號在樣品吸收池內被氣體分子吸收后 出射到離軸拋物面鏡；
[0015]所述離軸拋物面鏡將激光信號聚集到第一探測器；
[0016]所述第一探測器將接收到的激光信號通過數(shù)據(jù)采集單元轉化為電信號并傳輸給 計算機；
[0017]所述計算機對電信號進行分析處理得出待測氣體信息。
[0018] 工作時，任意波函數(shù)發(fā)生器輸出只在任意半周期內疊加調制信號的周期性信號作 為激光器的電流驅動信號，通過電流控制單元對室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的注 入電流進行驅動，激光器發(fā)出一定頻率范圍的激光信號，然后激光信號經聚焦準直三維調 節(jié)系統(tǒng)聚焦準直后由第一反射鏡耦合進入樣品吸收池，激光信號在樣品吸收池內被氣體分 子吸收后出射到離軸拋物面鏡，離軸拋物面鏡將其聚集到第一探測器上，然后經數(shù)據(jù)采集 單元將光信號轉化成電信號后傳輸給計算機進行分析處理，計算機對不帶調制信號的進行 直接吸收光譜分析，對帶有調制信號的進行波長調制光譜分析。
[0019] 從上述描述可以看出，本技術方案具有以下優(yōu)點：
[0020] (1)任意波函數(shù)發(fā)生器輸出的只在任意半周期內疊加調制信號的周期性信號不僅 能夠滿足同時實現(xiàn)直接吸收光譜法和波長調制光譜法的需求，而且其中的調制信號能夠使 得不同分子的調制系數(shù)分別最佳化，實現(xiàn)最佳化探測每個分子，從而提高系統(tǒng)靈敏度；通過 降低采樣壓力，避免了高壓下壓力加寬效應引起的分子自身或分子間吸收干擾效應，提高 了系統(tǒng)測量的可靠性。
[0021] (2)利用高信噪比的直接吸收光譜反演的氣體信息，為基于Labview數(shù)字鎖相的 波長調制光譜分析氣體信息過程提供校正，校正后即可通過波長調制光譜更精確地反演出 其他待分析樣品濃度信息，兩種光譜方法取長補短，實現(xiàn)高靈敏和高精度氣體分析。
[0022] (3)直接吸收光譜分析方法相比于傳統(tǒng)的只利用吸收譜線中心位置處吸收深度反 演氣體濃度信息的方法，受噪聲干擾小，反演算法可靠性和精確度更高；波長調制光譜分析 方法利用多元線性回歸分析算法對未知濃度的樣品信息進行反演，與傳統(tǒng)校正方法中只利 用二次諧波信號中單個峰值大小進行校正相比，不易受各種噪聲干擾的影響，測量誤差小。
[0023] 作為改進，還包括指示光源、第二反射鏡和半反半透鏡，所述半反半透鏡設在聚焦 準直三維調節(jié)系統(tǒng)和第一反射鏡之間，所述指示光源產生可見光信號，所述第二反射鏡將 可見光信號反射到半反半透鏡，所述半反半透鏡再次將可見光信號反射并使其與經半反半 透鏡透射過來的室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器發(fā)出的激光信號同軸；
[0024] 利用可見光作為不可見的室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器輸出的激光信號 的指示光，根據(jù)指示光在樣品吸收池內鏡面的光斑分布特性調節(jié)第一反射鏡和樣品吸收池 的位置，使得光斑分布越多越均勻，即反射次數(shù)越高，耦合效率越高，從而獲得最高耦合效 率，當耦合效率越高時，有效光程越長，光干涉噪聲越低，測量靈敏度和測量精度就越高。
[0025] 作為改進，還包括分束器、參考吸收池和第二探測器，所述分束器設在聚焦準直三 維調節(jié)系統(tǒng)和第一反射鏡之間，用于將聚焦準直三維調節(jié)系統(tǒng)聚焦準直后的激光信號分 束，一部分激光信號經分束器反射進入?yún)⒖嘉粘?，另一部分激光信號經分束器透射到?一反射鏡，所述參考吸收池為單通吸收池且充有純的待測氣體，所述進入?yún)⒖嘉粘氐募?光信號被氣體分子吸收后出射到第二探測器，所述第二探測器將接收到的激光信號通過數(shù) 據(jù)采集單元轉化為電信號并傳輸給計算機，所述計算機對電信號進行分析處理得出室溫連 續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的中心頻率漂移信息并將其反饋給電流控制單元，所述電流 控制單元根據(jù)接收到的中心頻率漂移信息，進行電流補償，穩(wěn)定室溫連續(xù)模式中紅外量子 級聯(lián)激光器的中心頻率；