[发明专利]探测顺磁分子气体的方法和系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及激光传感领域，具体地涉及利用法拉第旋光原理探测顺磁分子气体的方法和系统。

背景技术

顺磁气体分子是指外层电子轨道含不成对电子的分子，如一氧化氮，二氧化氮，氧气，羟自由基等分子。对顺磁气体分子的高灵敏度探测，对大气污染，大气化学，燃烧动力学，基于呼气中痕量分子的无创疾病检测等领域均具有十分重要的意义。这些气体分子人们用肉眼看不见，只有用仪器特殊的“眼”才能看到。基于化学荧光(chemiluminesecence)和电化学(electrochemical)技术的痕量(化学上指物质含量在百万分之一以下的量或浓度)气体分析仪，是目前高精度气体探测市场上最有竞争力的两类产品。然而化学荧光技术可靠性差，需要臭氧作为反应气体，存在二次污染，且需要经常校准，仪器性价比低。电化学技术灵敏度较低，响应时间滞后严重。而这两种技术共同的一个最大问题是，信号极易受到样品气体中水和二氧化碳分子的干扰，测量结果存疑。

现有技术中还存在基于法拉第旋光原理的气体分析技术，其能够对气相的顺磁分子实现高灵敏度，高选择性的传感。该技术主要探测顺磁分子在外加磁场下，对入射线偏振光的偏振角度旋转，来实现对气体浓度的检测。其中，偏振旋转角度与顺磁分子的浓度成正比。

图1示出了传统的法拉第光谱技术原理。如图1所示，当一束线偏振激光的频率处于分子的吸收谱线频率时，输出光的偏振角度Θ会发生改变，ΔΘ＝Δn*πL/λ。其中ΔΘ为偏振角度改变值，L为在磁场中的样品的有效光程，λ为光波长，而Δn为磁场引起的样品左旋和右旋光的折射率差，这一参数与气体浓度，磁场强度以及谱线强度相关。当激光通过置于气体池之后的一个偏振检偏器(符合I_out＝I_in*sin²θ定律)时，偏振改变ΔΘ被转换为光强度改变，通过光电探测以及信号解调，即可得到与气体分子浓度相关的法拉第光谱信号。传统法拉第光谱技术使用交变磁场(频率为f₀)调制顺磁分子，因此激光的偏振角度也被磁场调制，通过在f₀处的锁相解调技术来获取被调制的信号。通过施加交变磁场和锁相解调的方法，可以有效滤除多种噪声，比如激光源和光电探测器的宽谱噪声，相干干涉噪声(吸收光谱分析法的限制瓶颈)，以及抑制非顺磁分子(如水，二氧化碳等)产生的光谱干涉信号等。这样可以有效地提高传感器的信噪比。因此通过施加磁场调制的法拉第光谱技术，可以比基于分子吸收的光谱技术具有更高的探测灵敏度。

然而，从实际产品开发和应用的角度来看，上述传统的单独调制磁场的法拉第光谱气体分析技术存在着以下两个主要缺点：

1.由于信号解调频率恰好处于磁线圈的电磁辐射频率上，而解调电路总会因为电磁屏蔽做得不够理想，而引入一些磁线圈的电磁辐射。这个电磁干扰信号恰恰与光探测器获取的信号处于同一频率。在锁相解调时，电磁干扰信号会叠加在真实信号上，使其具有非零偏置。这样，系统的长时间稳定性会由于叠加了一个随时间缓慢漂移的非零偏置值而变差。

2.为了让磁线圈产生足够强度的交变磁场，磁线圈的匝数一般都较大。这就使得磁线圈的感抗较大，因此磁场的调制频率被限制在10kHz以内。这就意味着，激光的偏振信号调制频率也被限制在10kHz以下。而此频率范围，恰好是激光器相对强度噪声(RIN)较大的频率区间。因此，系统的信噪比和灵敏度，被激光器基带的高强度噪声限制无法进一步提高。

因此，需要一种具有增强的系统长时间稳定性和/或提高的系统灵敏度的探测气体的方法和系统。

发明内容

本申请针对传统的探测顺磁分子气体的技术缺点，提出一种能够增强系统长时间稳定性和/或提高系统灵敏度的探测气体的方法和系统。

在一方面，提供一种探测顺磁分子气体的方法，包括：将第一频率的交变磁场施加于气体池中的待测气体；对第一激光束进行波长调制以产生具有第二频率的波长调制的第一激光束，其中第二频率高于第一频率；将波长调制的第一激光束转换成偏振光，将该偏振光入射到气体池，并且将从气体池输出的激光束转换成强度调制的激光束；通过光电转换将该强度调制的激光束转换为电信号；以及解调该电信号，以获得待测气体的光谱信息。