一種單光源cars氣體檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種單光源CARS氣體檢測(cè)系統(tǒng)，與拉曼活性氣體實(shí)時(shí)在線或離線檢測(cè) 有關(guān)，本發(fā)明采用的是相干反斯托克斯拉曼光譜技術(shù)，可以采用一臺(tái)激光器作為光源，實(shí)現(xiàn) 對(duì)具有拉曼活性的氣體的檢測(cè)，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，并節(jié)約系統(tǒng)成本。
【背景技術(shù)】
[0002] CARS光譜（相干反斯托克斯拉曼散射）技術(shù)作為氣體檢測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，在工 業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)和國(guó)防科技等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。當(dāng)前采用的CARS光譜技術(shù)多采用兩 束或多束激光光源，其中一束激光作為泵浦光，另一束激光（一般由染料激光器或0P0產(chǎn) 生）作為斯托克斯光，依據(jù)情況不同可能再采用一束激光作為探測(cè)光（或者泵浦光兼作探 測(cè)光），因此需要至少兩臺(tái)激光器或者至少一臺(tái)激光器和一臺(tái)0P0提供輸入激光。當(dāng)前CARS 技術(shù)采用的方案面臨的問題有成本過高，精密的可調(diào)諧激光系統(tǒng)維護(hù)困難并且需要定期校 正等，針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種采用單光源的低成本簡(jiǎn)易CARS系統(tǒng)，采用拉曼氣體 池作為斯托克斯光產(chǎn)生裝置，與泵浦激光器配合實(shí)現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)氣體的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)當(dāng)前CARS檢測(cè)技術(shù)存在的成本高，維護(hù)困難等難題，提出了一種單光源的 CARS氣體檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉曼活性氣體的檢測(cè)。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種單光源CARS氣體檢測(cè)裝置，包括泵浦激光器和充填有純目標(biāo)氣體的拉曼池， 采用單一泵浦激光器作為光源，泵浦激光在目標(biāo)氣體拉曼池中產(chǎn)生斯托克斯光。泵浦激光 器位于光路的一端，在激光器的輸出光路上依次放置有聚焦透鏡，充填有純目標(biāo)氣體的拉 曼池，分束鏡，聚焦透鏡，待測(cè)氣體池，短波通濾波片和探測(cè)器，在分束鏡一側(cè)的分光路放置 有二相色鏡，泵浦激光探測(cè)器，在二向色鏡一側(cè)的分光路上放置有斯托克斯光探測(cè)器。
[0006] 泵浦激光器的輸出光經(jīng)聚焦透鏡聚焦，從拉曼池的入光窗口注入充有純目標(biāo)氣體 的拉曼池中，由拉曼池出光窗口輸出的光經(jīng)分束鏡透射、聚焦透鏡聚焦，從待測(cè)氣體池一側(cè) 的入光窗口注入待測(cè)氣體池中，從待測(cè)氣體池或管路另一側(cè)的出光口輸出的光經(jīng)短波通濾 波片照射到探測(cè)器上；由分束鏡反射的光經(jīng)二相色鏡透射后照射到泵浦激光探測(cè)器上，二 相色鏡反射的光照射到斯托克斯光探測(cè)器上。
[0007] 采用本發(fā)明所述裝置進(jìn)行CARS氣體檢測(cè)的方法是：于拉曼池中充填純目標(biāo)氣體， 于待測(cè)氣體池充填待測(cè)氣體進(jìn)行檢測(cè)；探測(cè)器采集的CARS信號(hào)光強(qiáng)度I，泵浦激光探測(cè)器 采集的泵浦光強(qiáng)Ip，斯托克斯光探測(cè)器采集的斯托克斯光光強(qiáng)Is;
[0008] 探測(cè)器采集的CARS信號(hào)光強(qiáng)度為I，C為待測(cè)氣體池中目標(biāo)氣體的單位體積的摩 爾量，I與Ip，Is，和C之間的關(guān)系為i=./Cx/;：x/sxC2;其中K為儀器函數(shù)，是于待測(cè)氣體池 或管路中充填標(biāo)準(zhǔn)單位體積摩爾量的目標(biāo)氣體時(shí)測(cè)定獲得。采用泵浦光探測(cè)器和斯托克斯 光探測(cè)器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵浦光強(qiáng)和斯托克斯光強(qiáng)，可以提高探測(cè)準(zhǔn)確度。
[0009] 為消除拉曼池中可能產(chǎn)生的反斯托克斯光對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，還可以在緊鄰拉曼 池后方處放置一個(gè)對(duì)反斯托克斯光高反，泵浦光和斯托克斯光高透的濾波片，或者采用一 個(gè)這樣的濾波片作為拉曼池的輸出窗口。
[0010] 拉曼池內(nèi)充的氣體須與待測(cè)氣體中的待檢目標(biāo)氣體一致，但拉曼池內(nèi)壓力較大， 一般可在1. 5MPa-10MPa之間，依據(jù)待測(cè)氣體的拉曼活性不同有所變化，在該拉曼池中產(chǎn)生 的斯托克斯光波長(zhǎng)可精確滿足CARS探測(cè)要求。
[0011] 本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是采用一臺(tái)激光器作為光源，該激光器輸出的激光的一部分在 目標(biāo)氣體拉曼池中經(jīng)受激拉曼散射轉(zhuǎn)化為斯托克斯光，剩余部分作為泵浦光和探測(cè)光，與 斯托克斯光共聚焦在待測(cè)目標(biāo)氣體池中同一位置處，在泵浦光、探測(cè)光和斯托克斯光共聚 焦處產(chǎn)生CARS信號(hào)光。該技術(shù)方案可以采用一臺(tái)激光器獲得待測(cè)氣體的CARS信號(hào)，可有 效降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜程度。另外，本發(fā)明采用高壓目標(biāo)氣體填充拉曼池，產(chǎn)生的斯托克斯 光的波長(zhǎng)可精確滿足探測(cè)需求，因此不需要像普通CARS技術(shù)那樣校準(zhǔn)斯托克斯光波長(zhǎng)，可 降低維護(hù)難度并提高檢測(cè)精度。
[0012] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案中，待測(cè)目標(biāo)氣體的CARS信號(hào)光波長(zhǎng)比泵浦光波長(zhǎng)和斯 托克斯光波長(zhǎng)短，因此經(jīng)短波通濾波片可以過濾掉泵浦光和斯托克斯光，剩下純凈的CARS 信號(hào)光由探測(cè)器接收。
[0013] 本發(fā)明中的泵浦激光器應(yīng)采用高峰值功率脈沖激光器，一般其功率須達(dá)兆瓦 以上，目標(biāo)氣體拉曼池內(nèi)充入的氣體須與待測(cè)目標(biāo)氣體一致，但其壓力較大，一般可在 1. 5MPa_10MPa之間，依據(jù)待測(cè)氣體的拉曼活性不同有所變化。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明所涉及的單光源CARS氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中：1_高功率脈沖 激光器，2-聚焦透鏡，3-純目標(biāo)氣體拉曼池，4-分束鏡，5-二相色鏡，6-泵浦激光探測(cè)器， 7_斯托克斯光探測(cè)器，8-聚焦透鏡，9-待測(cè)氣體池或管路，10-短波通濾波片，11-CARS光探 測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明拉曼活性氣體的【具體實(shí)施方式】舉例說明如下：
[0016] 泵浦激光器的輸出光經(jīng)聚焦透鏡聚焦、從拉曼池的入光窗口注入充有純目標(biāo)氣體 的拉曼池中，由拉曼池出光窗口輸出的光經(jīng)分束鏡透射、聚焦透鏡聚焦，從待測(cè)氣體池一側(cè) 的入光窗口注入待測(cè)氣體池中，從待測(cè)氣體池或管路另一側(cè)的出光口輸出的光經(jīng)短波通濾 波片照射到探測(cè)器上；由分束鏡反射的光經(jīng)二相色鏡透射后照射到泵浦激光探測(cè)器上，二 相色鏡反射的光照射到斯托克斯光探測(cè)器上。
[0017] 實(shí)施例1
[0018] 采用本發(fā)明探測(cè)煤干餾產(chǎn)生的混合氣體管路中CH4氣體的濃度。
[0019] 采用經(jīng)倍頻的YAG激光器輸出的532nm激光作為光源，首先于拉曼池中充填純 2MPa的純凈CH4氣體，將待測(cè)混合氣體管路中充入1大氣壓純凈的CH4氣體，532nm泵浦激 光經(jīng)聚焦透鏡2將泵浦光聚焦在目標(biāo)氣體拉曼池3中，產(chǎn)生的斯托克斯光波長(zhǎng)為629. 7nm。 分束鏡4將約3 %的泵浦激光和斯托克斯光反射到二相色鏡5上，其中泵浦光透過二相色 鏡5照射到泵浦光探測(cè)器6上，斯托克斯光由二相色鏡5反射后入射到斯托克斯光探測(cè)器7 上，剩余部分的泵浦光和在拉曼池中產(chǎn)生的斯托克斯光經(jīng)聚焦透鏡8共聚焦在待測(cè)氣體管 路9,在9中產(chǎn)生波長(zhǎng)為460. 5nm的CARS信號(hào)光經(jīng)短波通濾波片10后由探測(cè)器11接收。
[0020] 讀取CARS光探測(cè)器11采集的CARS信號(hào)光強(qiáng)度I，泵浦激光探測(cè)器6采集的泵浦 光強(qiáng)Ip，斯托克斯光探測(cè)器7采集的斯托克斯光光強(qiáng)Is ;并依據(jù)已知的CH4氣體的濃度，由 公式/=AxC2求得儀器函數(shù)K。
[00