[发明专利]具有可变光强调制器的光学腔增强性的光声示踪气体检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光声示踪气体检测器，用于检测示踪气体在气体混合物中的浓度，光声示踪气体检测器包括：光源，用于产生光束；光调制器，用于将光束调制为一系列光脉冲，以便在气体混合物中产生声波，声波的振幅表示浓度的测量值；光学腔，用于包含气体混合物，并用于光脉冲的光强度放大；换能器，用于将声波转换为电信号；以及反馈回路，用于在光学腔中调整光脉冲的光强度放大，该反馈回路包括光电检测器，用于测量光脉冲的光强度。

背景技术

从Rossi等人发表在Applied Physics Letters中的文章“Opticalenhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means ofexternal Fabry-Perot cavity”中了解了这种检测器。在此所述的检测器发送断续的激光束(chopped laser beam)穿过包含在声学室中的气体。激光束是通过旋转的圆盘截断器(chopper)而变得断续，圆盘截断器周期性地中断光束。调谐激光波长以便将气体的特定分子激发到更高的能级。这个激发导致了热能的增加，结果产生声学室内的温度和压力的局部上升。如果这个截断频率与声学室的共振频率相匹配，则压力变化就导致声学驻波。由声学室中的麦克风检测该声波。这种声学室的共振频率通常在几kHz数量级。在Rossi等人的检测器中，使用了2.6kHz的截断频率。

Rossi等人还说明了通过将激光波长锁定为腔长度，而使用Fabry-Perot腔来放大声学室中的光强度。该放大是非常有利的，因为检测器的灵敏度与激光功率成正比。从放置在Fabry-Perot腔后面的光电二极管获得反馈信号。传输穿过该腔的强度用于反馈激光波长。其缺点是，当截断器阻塞激光束且使传输的强度为0时，就不存在反馈信号。因此，在这些时间段内不能为激光提供腔反馈，当受到扰动时，腔会变得无法锁定。结果就是损失光功率并伴随着光声信号强度的降低。由Rossi等人提出的解决方案使用了具有大时间常数的信号解调，以便在多个时间段上对所产生的反馈信号进行平均。结果，使得腔锁定机制很慢。

光声示踪气体检测器的一个重要应用是呼吸测试。呼吸测试是医学技术的有前途的领域。呼吸测试是非侵入性的、用户友好且低成本的。呼吸测试主要的实例是哮喘的监测、酒精呼吸测试和胃病检测及急性器官排异反应。最初的临床试验显示了在呼吸和肺癌的预筛选中可能的应用。这些不稳定的生物标志在每十亿(ppb)范围的部分中具有典型的浓度。氧化氮(NO)是人呼吸中最重要的示踪气体之一，会在哮喘病患者中发现NO的浓度升高。当前，基于化学发光或光学吸收光谱法，采用昂贵且笨重的设备，仅能够测量ppb浓度的呼出的NO程度。紧凑的、手持的且低成本的NO传感器构成了一种令人感兴趣的设备，其能够用于诊断并监测气道炎症，并能够在医生办公室中使用，以及用于在家庭中的医疗控制。

对于这些手持气体分析设备来说，将足够高的灵敏度(ppb等级)与高鲁棒性相结合是有挑战性的。当前的光声示踪气体检测器的缺点是小形状因子的激光器(即二极管激光器)不具有足够的激光功率以达到示踪气体检测所需的灵敏度。使用如由Rossi等人所述的光学功率增强腔会增大光学功率，但会导致较慢的反馈。如上所述，当结合光声学使用光学增强腔时，由截断器间断地开启和关闭反馈信号。因此，腔锁定机制变得非常慢，这导致产生了对于便携式应用不够鲁棒的系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有快速反馈回路的光声示踪气体检测器，用于检测气体混合物中示踪气体的浓度，所述光声示踪气体检测器包括：光源，用于产生光束；光调制器，用于将所述光束调制为一系列光脉冲，以便在所述气体混合物中产生声波，所述声波的振幅表示所述浓度的测量值；光学腔，用于包含所述气体混合物，并用于放大所述光脉冲的光强度，所述光学腔包括两个半透明镜，用于在这两个镜之间的距离与所述光束的波长发生共振时提供所述放大；换能器，用于将所述声波转换为电信号；以及反馈回路，用于对所述光学腔中的所述光脉冲的光强度的所述放大进行调整，所述反馈回路包括光检测器，用于测量放大之后的所述光脉冲的光强度；特征在于，将所述光调制器设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对所述光束进行调制。

根据本发明的第一方面，通过提供按照开头段落的光声示踪气体检测器来实现这个目的，其中，将光调制器设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间调制光束。

因为光强度没有下降到0，所以提供了不中断的反馈信号。以这个方式，可以实现快速且更稳定的反馈锁定环，并可以实现检测器的便携式应用。