[发明专利]一种基于腔增强技术的气体探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量气体浓度的方法，特别涉及一种高精度测量痕量气体浓度的方法。

背景技术

气体浓度测量是当今十分热门的科学研究课题，随着石油、煤炭、化工、汽车工业的不断发展，人类生产活动过程中产生了大量污染环境、有毒有害、易燃易爆的废气。这些气体虽然浓度很低，但是对人类的健康、大气环境等方面有不同程度的影响。如美国国家职业安全和健康局研究院与美国国家职业安全和健康局发表的研究报告指出很多致命的工业事故都同所在空间的气体组分和浓度有关，并采取了一定的控制手段。目前，用于气体浓度测量的主要方法有催化烧结、光纤传感、激光吸收、热导传感和电化学气相色谱等，这些方法不同程度上完成了易燃易爆和有毒有害气体的测量任务，并获得重大的经济效益。但是在完成低浓度气体的高精度测量等一些特殊场合就难以胜任了。

1988年O’Keefe等提出了腔增强吸收光谱技术（A.O’Keefe，and D.A.G.Deacon，Cavity ring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources，Rev.Sci.Instrum.59，（2544-2551）1988），该技术吸引了大批研究者的目光，并在随后的20多年间得到了迅猛发展。腔增强吸收光谱技术具有很高探测灵敏度，可以很好地满足痕量气高精度、高灵敏度检测需求，这对发展人体呼吸诊断系统，环境气体检测系统，神经毒气预警系统是十分有益的。（Z.Qu，C.Gao，Y.Han，X.Du，and B.Li，Detection of chemical warfare agents based on quantum cascade laser cavity ring down spectroscopy，Chin.Opt.Lett.10，（050102-050104）2012）

传统的腔增强光谱技术测量气体含量时，使用波长可调谐激光器，测量不同波长注入时腔透射信号（A.O'Keefe，J.J.Scherer，J.B.Paul，CW Integrated cavity output spectroscopy，Chem.Phys.Lett.，307，（343-349）1999）或者采用宽谱光源（如LED、超连续谱激光光源），腔透射信号经分光系统分光后再进行测量（M.Triki，P.Cermak，D.Romanini，Cavity-enhanced absorption spectroscopy with a red LED source for NOx trace analysis，Appl.Phy.B，91，（195-201）2008）。这两种测量装置虽然在技术上比较成熟，但也具有明显的缺点。例如:需要使用波长可调谐激光器或光谱分光测量系统，结构装置复杂，成本较高，且可测量气体种类受限于光源光谱范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有气体探测方法技术的不足，提供一种基于腔增强技术与气敏聚合物薄膜相结合的气体探测方法，具有测量灵敏度高，结构简单，成本低廉等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于腔增强技术的气体探测方法，首先，将对待测气体敏感的聚合物薄膜镀于光学元件表面，该气敏聚合物薄膜的光谱学特征是：在有无待测气体吸附时，其吸收光谱中心波长将改变，并且光谱吸收系数大小取决于聚合物薄膜所处环境中待测气体的浓度。然后将镀有对待测气体敏感的聚合物薄膜的光学元件置于由高反射镜组成的稳定光学谐振腔，激光光源注入该光学谐振腔，耦合进入腔内的光在高反射镜之间来回反射，每一次循环，腔内光能量都会由于腔镜透射和腔内镀有气敏聚合物薄膜光学元件的吸收而减小。由于腔内聚合物薄膜的吸收光谱在有无待测气体吸附时，具有不同吸收系数，因此可以通过探测光学谐振腔输出信号强度或衰荡时间或相移的变化情况来监测被测环境中待测气体的浓度。

具体实现步骤如下：

（1）根据腔增强技术原理，将镀有对待测气体敏感的聚合物薄膜的光学元件置于稳定的光学谐振腔内；

（2）选择一波长位于聚合物薄膜吸收光谱内的激光器作为探测光源，并将其注入光学谐振腔；

（3）光学谐振腔输出光经聚焦透镜聚焦到光电探测器，探测光学谐振腔输出信号强度或衰荡时间或相移；

（4）根据光学谐振腔输出信号强度或衰荡时间或相移的变化情况即可得到腔内损耗，进而可得被测环境中待测气体的浓度。