[实用新型]用于气体检测的低频电压调制光谱装置

说明书

本实用新型属于光谱检测技术，主要涉及对气体的测量设备。

公知电流调制光谱检测技术已成为一种工业气体监控及环境大气的在线监测的重要手段。这种方法会导致一定深度的振幅调制，造成较大的能量起伏，从而限制了测量的高灵敏度。且工作中波长的不连续变化会影响测量结果，所需处理设备亦显昂贵。

本实用新型的目的是提出一种高分辨、高灵敏、使用方便的用于气体检测的低频电压调制光谱装置的技术方案。

本实用新型目的是这样实现的，低频电压调制光谱装置包括，二极管激光器，接收到调制吸收光谱的光电探测器，对探测信号进行解调作用的相关器，处理相关器输出数据的计算机，以及控制执行上述相应工作的各种辅助光、电机构和联接固定与调节部件。其中，所述二极管激光器为外腔式结构，当采用合成器时，还设有低频正弦电压发生器和频率远低于调制信号的函数信号发生器，由合成器分别与其输出端相联、并将所得合成信号施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷的电压控制端上；当所述激光器采用机械斩波器调制时，则以低频正弦电压与机械斩波器的控制器相联，以函数信号发生器的输出耦合到二极管激光器压电陶瓷的电压控制端。这样，激光器在所需信号作用下，皆可输出带有扫频和调制的检测光，从而完成对本实用新型所需光源的生成，实现了本实用新型的目的。

本实用新型所述函数信号发生器输出的是锯齿波或三角波电压信号，其所起作用是使激光器的波长缓慢线性扫描通过被测气体的电子跃迁位置，以保证完整地探测和处理调制吸收光谱。

本实用新型还含有输入端与所述正弦信号发生器相联、输出端与所述相关器相联的可调倍频器，以提供相关检测时供优选谐波的参考信号。

本实用新型采用将低频电压施于控制激光器外腔的后镜、反馈光栅旋转的压电陶瓷上或机械斩波器上，以锯齿波或三角波电压为激光输出的扫频信号，对由调制信号的不同倍频解调后所得谐波信号的信噪比进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容，可以得到无跳模、能量起伏较小的连续激光输出，从而有效地消除了连续背景噪声，提高了检测气体微弱吸收谱线的分辨率，其最小吸收探测灵敏度达到10^-6，可应用于工业气体监控以及环境或大气中的有害气体的在线监测。

附图给出了本实用新型实施例的结构示意和测量结果。

图1用于铯蒸汽测量的调制光谱装置结构图；

图2用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与相应的背景噪声的对比；

图3用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与直接吸收线的对比；

图4以斩波调制激光进行氧气含量测量的调制与扫描部分结构图；

图5大气压下的氧气含量气压与四次谐波峰值的对应关系。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

在图1和4中：1二极管激光，2反馈光栅，3后镜，4旋转支点，5压电陶瓷的电压控制端，6锯齿波信号发生器(HP33120A)，7正弦信号发生器，8合成器，9铯蒸汽，10光电二极管(2CU2E)，11相关器(SR530)，12计算机，13可调倍频器，14、15、16倍频器，17机械斩波器，18机械斩波器的控制器，19机械斩光盘，20氧气池，21三角波信号发生器

第一实施例是用于高灵敏测量铯蒸汽的场合的情况。

本例设备由二极管激光器及其调制系统、光电探测器、相关器和计算机组成。

本例装置可参见图1，单色光源是美New Focus公司6017型的外腔式二极管激光器1、2、3、5，以输出1kHz正弦波调制信号的正弦信号发生器7和产生1Hz锯齿波的美HP公司33120A型函数信号发生器6的输出分别与合成器8相联，合成器的输出施加到外腔式激光器谐振腔控制后镜旋转的压电陶瓷的电压控制端5上。光电探测器10的输出与相关器(美国SR530)11相联，同时发生器7的输出还经可调倍频器13倍频输出后与相关器11相联，计算机12处理来自相关器11的谐波信号，得出检测结果。另外还有控制执行相应工作的各种辅助光路和联接固定部件。以上为本例主要结构的描述。

外腔式二极管激光器是采用外置的后镜与激光二极管的一个端面构成谐振腔的，中间插入一个反射光栅；也可以用反射光栅直接代替谐振腔的另一个反射镜来构成。利用光栅的色散分光作用，将二极管激光器发出的不同波长的光束在空间分离，然后只使很窄波长区域的光束在腔内形成振荡，其它波长的光束因不具反馈能力而被抑制。当适当转动后镜或光栅的角度位置，可以改变所需要的振荡模式。后镜或光栅的转动是利用压电陶瓷来控制的，由于机械部件的作用，决定了这种通过电压调谐激光波长的方法只能在低频下工作。