一种有毒气体浓度测量方法

1.本发明涉及激光检测的技术领域，特别涉及一种有毒气体浓度测量方法。


背景技术：

2.2微米-2.8微米近红外激光在大气污染监控方面具有非常重要的应用价值。特别是对于化工领域，易燃、易爆、有毒气体乙炔、乙烯、乙烷和甲烷一直存在安全隐患，对其进行准确的监测一直困扰该行业的发展，一方面，目前，实现2微米-2.8微米激光输出的方案比较受限，主要有：半导体激光器（casb/量子阱、量子级联等），半导体量子阱激光器（i类 in(al)gaassb/ gasb）和量子级联激光器可实现2微米-2.8微米激光输出，但是其输出功率较低，而且有的需要高温运行，不利于实际应用；另一方面，对于通过一个光源实现多种有毒气体的简便测量，仍然没有很好的解决方案。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决有毒气体浓度测量的技术问题，而提出了一种有毒气体浓度测量方法。
4.具体的本发明涉及一种有毒气体浓度测量方法，包括如下步骤：控制可调谐窄线宽脉冲激光器，输出波长在2.4-2.8微米间可调的检测激光，所述检测激光的谱线宽度小于2nm；所述检测激光经分光镜分为正交的第一激光束和第二激光束，其中，所述分光镜对波长在2.4-2.8微米的激光50%透射和50%反射；所述第一激光束经聚焦镜进入气体样品池对有毒气体进行检测，从所述气体样品池出射的所述第一激光束被第一激光能量计接收，其中，所述聚焦镜镀2.4-2.8微米高透膜系，所述气体样品池的两个通光面镀2.4-2.8微米高透膜系；所述第二激光束被第二激光能量计接收；所述第一激光能量计和第二激光能量计分别将测量数据传输到数据处理单元后确定出有毒气体的浓度；其中，所述有毒气体的浓度满足如下关系：m为有毒气体的浓度，c为光速，h为普朗克常量，为气体吸收峰的频率，为气体的吸收峰波长，b为有毒气体吸收跃迁常数，l为气体样品池的长度，s为气体吸收峰所围的面积，为第一激光能量计接收的出射光强度，为第二激光能量计接收的
入射光强度。
5.在一些实施例中，所述有毒气体包括乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体，其中，乙炔气体的吸收峰波长为2433.88nm，乙烯气体的吸收峰波长为2627.68nm，乙烷气体的吸收峰波长为2755.88nm，甲烷气体的吸收峰波长为2766.99nm。
6.在一些实施例中，所述控制可调谐窄线宽脉冲激光器，输出波长在2.4-2.8微米间可调的检测激光包括：半导体泵浦激光经由耦合系统输入谐振腔，激发所述谐振腔内的激光晶体形成振荡激光，调整所述激光晶体的匹配角度，输出1.8-2.2微米的基频光；将所述基频光输入拉曼腔，所述拉曼腔内设置有拉曼晶体，所述基频光通过所述拉曼晶体生成2.4-2.8微米窄线宽脉冲激光，使其与乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的吸收峰波长匹配。
7.在一些实施例中，所述谐振腔由第一平凹镜、第二平凹镜、第三平凹镜、第一平面镜和第二平面镜构成，其中，第一平凹镜、第二平凹镜和第三平凹镜镀1.8-2.2微米高反膜和790 nm高透膜，第一平面镜镀1.8-2.2微米高反膜，第二平面镜镀2.4-2.8微米高反膜和1.8-2.2微米的透过率为2%的部分透射膜。
8.在一些实施例中，所述拉曼腔由第二平面镜和第四平凹镜构成，所述第四平凹镜镀2.4-2.8微米的透过率为5%的部分透射膜。
9.在一些实施例中，所述谐振腔内包括：棱镜对，用于压缩所述基频光的线宽。
10.在一些实施例中，所述谐振腔内还包括：双折射滤光片和饱和吸收体，所述双折射滤光片用于调节所述基频光的波长，所述饱和吸收体用于对所述基频光进行被动锁模。
11.在一些实施例中，所述棱镜对为三棱镜对，每一个三棱镜的顶角为45度-60度，入射光线与所述三棱镜的入射面法线夹角为5度-10度。
12.在一些实施例中，所述棱镜对为六棱镜对，入射光线与六棱镜的入射面法线夹角为10度-15度。
13.在一些实施例中，通过电控方式对所述棱镜对连续旋转调节，以调整入射至棱镜面的入射光线的角度，并实现对所述基频光的线宽调节。
14.本发明的有益效果：本发明利用一个可调谐窄线宽脉冲激光器即可实现对多种有毒气体浓度的检测，结合三阶非线性效应来实现可调谐窄线宽脉冲激光输出，波长从2.4-2.8微米可调，满足了乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的吸收峰值对窄线宽检测激光的需求。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例所述的气体浓度测量系统的结构示意图；图2为本发明实施例所述的气体浓度测量方法的流程图；图3为本发明实施例所述的气体吸收光谱示意图；
图4为本发明实施例所述的气体浓度测量系统中激光器的结构示意图；图5为本发明六棱镜压缩线宽结构示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
19.本发明涉及的气体浓度测量系统结构如图1所示，包括可调谐窄线宽脉冲激光器100，其输出波长在2.4-2.8微米间可调，其输出的谱线宽度小于2nm，分光镜200通过镀膜实现波长在2.4-2.8微米的激光50%透射和50%反射，分光镜200用于把可调谐窄线宽脉冲激光器100发出的激光分成正交的第一激光束和第二激光束， 第一激光束经聚焦镜300进入气体样品池400，聚焦镜300镀有2.4-2.8微米高透膜系，气体样品池400两个通光面镀有2.4-2.8微米高透膜系，从气体样品池400出射的激光用第一激光能量计500接收，第二激光束被第二激光能量计600接收，第一激光能量计500和第二激光能量计600连接到数据处理单元700进行数据处理，可以确定气体样品池400中气体的种类和浓度。
20.本发明利用一个可调谐窄线宽脉冲激光器即可实现对多种有毒气体浓度的检测，可调谐窄线宽脉冲激光器结构紧凑且波长从2.4-2.8微米可调，能够同时满足对乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的吸收峰值对窄线宽检测激光的需求，从而准确的将乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的浓度检测出来。
21.具体的，本发明涉及一种有毒气体浓度测量方法，如图2所示，包括如下步骤：步骤s101：控制可调谐窄线宽脉冲激光器，输出波长在2.4-2.8微米间可调的检测激光，所述检测激光的谱线宽度小于2nm；步骤s103：所述检测激光经分光镜分为正交的第一激光束和第二激光束，其中，所述分光镜对波长在2.4-2.8微米的激光50%透射和50%反射；步骤s105：所述第一激光束经聚焦镜进入气体样品池对有毒气体进行检测，从所述气体样品池出射的所述第一激光束被第一激光能量计接收，其中，所述聚焦镜镀2.4-2.8微米高透膜系，所述气体样品池的两个通光面镀2.4-2.8微米高透膜系；步骤s107：所述第二激光束被第二激光能量计接收；步骤s109：所述第一激光能量计和第二激光能量计分别将测量数据传输到数据处理单元后确定出有毒气体的浓度；其中，所述有毒气体的浓度满足如下关系：
m为有毒气体的浓度，c为光速，h为普朗克常量，为气体吸收峰的频率，为气体的吸收峰波长，b为有毒气体吸收跃迁常数，l为气体样品池的长度，s为气体吸收峰所围的面积，为第一激光能量计接收的出射光强度，为第二激光能量计接收的入射光强度。
22.其中，和表示与检测波长相关的出射光强度和入射光强度，激光能量计在对激光能量进行测量时，会形成吸收光谱，吸收光谱具有较窄的谱线宽度，如图3所示，上述s为由吸收光谱在波长到波长之间围成的面积，其中，波长为吸收峰值波长。
23.在一些实施例中，所述有毒气体包括乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体，其中，乙炔气体的吸收峰波长为2433.88nm，乙烯气体的吸收峰波长为2627.68nm，乙烷气体的吸收峰波长为2755.88nm，甲烷气体的吸收峰波长为2766.99nm。
24.在一些实施例中，本技术提供一种可调谐激光器，使其能够满足乙炔气体的吸收峰波长为2433.88nm，乙烯气体的吸收峰波长为2627.68nm，乙烷气体的吸收峰波长为2755.88nm，甲烷气体的吸收峰波长为2766.99nm，且该激光器具有较窄的谱线宽度，从而能够满足对应有毒气体的吸收谱。
25.具体的，如图4所示，所述控制可调谐窄线宽脉冲激光器100，输出波长在2.4-2.8微米间可调的检测激光包括：半导体泵浦激光经由耦合系统输入谐振腔，激发所述谐振腔内的激光晶体4形成振荡激光，调整所述激光晶体4的匹配角度，输出1.8-2.2微米的基频光,本发明采用输出波长为790 nm的半导体泵浦激光器1泵浦kta晶体获得波长为1.8-2.2微米激光输出。其中，耦合系统包括第一透镜2-1和第二透镜2-2，所述谐振腔由第一平凹镜3-1、第二平凹镜3-2、第三平凹镜3-3、第一平面镜7和第二平面镜9构成，其中，第一平凹镜3-1、第二平凹镜3-2和第三平凹镜3-3镀1.8-2.2微米高反膜和790 nm高透膜，第一平面镜7镀1.8-2.2微米高反膜，第二平面镜9镀2.4-2.8微米高反膜和1.8-2.2微米的透过率为2%的部分透射膜。
26.将所述基频光输入拉曼腔，所述拉曼腔内设置有拉曼晶体10，所述拉曼晶体为bawo4晶体，拉曼晶体长度为10mm-20mm，所述基频光通过所述拉曼晶体10生成2.4-2.8微米窄线宽脉冲激光，使其与乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的吸收峰波长匹配。其中，乙炔气体c2h2的吸收峰为2433.88nm，乙烯气体c2h4吸收峰为2627.68nm，乙烷气体c2h6吸收峰为2755.88nm，甲烷气体ch4吸收峰为2766.99nm。
27.在一些实施例中，所述拉曼腔由第二平面镜9和第四平凹镜11构成，所述第四平凹镜11镀2.4-2.8微米的透过率为5%的部分透射膜。
28.在一些实施例中，所述谐振腔内包括：棱镜对，用于压缩所述基频光的线宽，实现满足气体监测的窄线宽激光，例如线宽小于2nm。
29.在一些实施例中，所述谐振腔内还包括：双折射滤光片6和饱和吸收体8，所述双折射滤光片6用于调节所述基频光的波长，所述饱和吸收体8用于对所述基频光进行被动锁模。
30.在一些实施例中，所述棱镜对为三棱镜对，例如包括第一三棱镜5-1和第二三棱镜
5-2，每一个三棱镜的顶角为45度-60度，从而保证三棱镜具有较大的入射面和较小的入射角，入射光线与所述三棱镜的入射面法线夹角为5度-10度。振荡光束以预设角入射第一三棱镜5-1对振荡光束的线宽进行压缩，然后经第二三棱镜5-2进一步对线宽进行压缩，并将出射光恢复至与原光路平行振荡的方向，通过三棱镜对能够有效的压缩输出激光的线宽，使其大致位于纳米量级。
31.在另外的一些实施例中，如图5所示，所述棱镜对为六棱镜对，入射光线与所述六棱镜的入射面法线夹角为10度-15度。相对于三棱镜，入射光在六棱镜内会进行更多次的反射，如图5所示，在六棱镜内部进行3次全反射，能够获得更窄的线宽压缩。振荡光束以预设角入射第一六棱镜对振荡光束的线宽进行压缩，然后经第二六棱镜进一步对线宽进行压缩，并将出射光恢复至与原光路平行振荡的方向，通过六棱镜对能够有效的压缩输出激光的线宽，使其位于纳米量级。
32.在一些实施例中，所述棱镜对设置于旋转步进电机上，通过电控的方式对步进电机进行调控，从而对所述棱镜对连续旋转调节，以调整入射至所述棱镜面的入射光线的角度，最终实现对所述基频光线宽的连续调节，棱镜对相对的出光面和入射面始终保持平行，以使得最终被压缩的激光的传播方向平行。
33.所述激光晶体的入射角度为5-10度，例如图4所示，激光晶体4的轴线方向与水平方向的夹角为5-10度，从而保证泵浦激光以小角度入射至激光晶体4，从而避免振荡光对激光晶体4内反转粒子能级的干扰，最终形成稳定的激光泵浦。
34.本实施例激光器采用折叠腔设计，结合三阶非线性效应和外腔拉曼技术，使得整个激光器具有高稳定性，结构简洁，紧凑，输出光光束质量高，利于小型化定型产品的研制。
35.本发明利用一个可调谐窄线宽脉冲激光器即可实现对多种有毒气体浓度的检测，结合三阶非线性效应来实现可调谐窄线宽脉冲激光输出，波长从2.4-2.8微米可调，满足了乙炔气体、乙烯气体、乙烷气体和甲烷气体的吸收峰值对窄线宽检测激光的需求。
36.最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
37.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。