[发明专利]一种单光源CARS气体检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明为一种单光源CARS气体检测系统，与拉曼活性气体实时在线或离线检测有关，本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，可以采用一台激光器作为光源，实现对具有拉曼活性的气体的检测，降低系统复杂程度，并节约系统成本。

背景技术

CARS光谱(相干反斯托克斯拉曼散射)技术作为气体检测的一项重要技术，在工业生产，环境监测和国防科技等领域发挥了巨大作用。当前采用的CARS光谱技术多采用两束或多束激光光源，其中一束激光作为泵浦光，另一束激光(一般由染料激光器或OPO产生)作为斯托克斯光，依据情况不同可能再采用一束激光作为探测光(或者泵浦光兼作探测光)，因此需要至少两台激光器或者至少一台激光器和一台OPO提供输入激光。当前CARS技术采用的方案面临的问题有成本过高，精密的可调谐激光系统维护困难并且需要定期校正等，针对上述问题，本发明提出一种采用单光源的低成本简易CARS系统，采用拉曼气体池作为斯托克斯光产生装置，与泵浦激光器配合实现待测目标气体的检测。

发明内容

针对当前CARS检测技术存在的成本高，维护困难等难题，提出了一种单光源的CARS气体检测系统，实现对拉曼活性气体的检测。

本发明采用的技术方案如下：

一种单光源CARS气体检测装置，包括泵浦激光器和充填有纯目标气体的拉曼池，采用单一泵浦激光器作为光源，泵浦激光在目标气体拉曼池中产生斯托克斯光。泵浦激光器位于光路的一端，在激光器的输出光路上依次放置有聚焦透镜，充填有纯目标气体的拉曼池，分束镜，聚焦透镜，待测气体池，短波通滤波片和探测器，在分束镜一侧的分光路放置有二相色镜，泵浦激光探测器，在二向色镜一侧的分光路上放置有斯托克斯光探测器。

泵浦激光器的输出光经聚焦透镜聚焦，从拉曼池的入光窗口注入充有纯目标气体的拉曼池中，由拉曼池出光窗口输出的光经分束镜透射、聚焦透镜聚焦，从待测气体池一侧的入光窗口注入待测气体池中，从待测气体池或管路另一侧的出光口输出的光经短波通滤波片照射到探测器上；由分束镜反射的光经二相色镜透射后照射到泵浦激光探测器上，二相色镜反射的光照射到斯托克斯光探测器上。

采用本发明所述装置进行CARS气体检测的方法是：于拉曼池中充填纯目标气体，于待测气体池充填待测气体进行检测；探测器采集的CARS信号光强度I，泵浦激光探测器采集的泵浦光强Ip，斯托克斯光探测器采集的斯托克斯光光强Is；

探测器采集的CARS信号光强度为I，C为待测气体池中目标气体的单位体积的摩尔量，I与I_p，I_s，和C之间的关系为其中K为仪器函数，是于待测气体池或管路中充填标准单位体积摩尔量的目标气体时测定获得。采用泵浦光探测器和斯托克斯光探测器分别实时监测泵浦光强和斯托克斯光强，可以提高探测准确度。

为消除拉曼池中可能产生的反斯托克斯光对探测结果的影响，还可以在紧邻拉曼池后方处放置一个对反斯托克斯光高反，泵浦光和斯托克斯光高透的滤波片，或者采用一个这样的滤波片作为拉曼池的输出窗口。

拉曼池内充的气体须与待测气体中的待检目标气体一致，但拉曼池内压力较大，一般可在1.5MPa-10MPa之间，依据待测气体的拉曼活性不同有所变化，在该拉曼池中产生的斯托克斯光波长可精确满足CARS探测要求。

本发明的显著优点是采用一台激光器作为光源，该激光器输出的激光的一部分在目标气体拉曼池中经受激拉曼散射转化为斯托克斯光，剩余部分作为泵浦光和探测光，与斯托克斯光共聚焦在待测目标气体池中同一位置处，在泵浦光、探测光和斯托克斯光共聚焦处产生CARS信号光。该技术方案可以采用一台激光器获得待测气体的CARS信号，可有效降低成本和系统复杂程度。另外，本发明采用高压目标气体填充拉曼池，产生的斯托克斯光的波长可精确满足探测需求，因此不需要像普通CARS技术那样校准斯托克斯光波长，可降低维护难度并提高检测精度。

本发明采用的技术方案中，待测目标气体的CARS信号光波长比泵浦光波长和斯托克斯光波长短，因此经短波通滤波片可以过滤掉泵浦光和斯托克斯光，剩下纯净的CARS信号光由探测器接收。

本发明中的泵浦激光器应采用高峰值功率脉冲激光器，一般其功率须达兆瓦以上，目标气体拉曼池内充入的气体须与待测目标气体一致，但其压力较大，一般可在1.5MPa-10MPa之间，依据待测气体的拉曼活性不同有所变化。

附图说明