[发明专利]一种谐振腔内石英音叉气体检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，使用石英音叉通过光声光谱实现气体检测。

背景技术

分子光谱学的气体检测技术具有灵敏度高、选择性好、可实时在线检测等优点，近年来备受人们关注，尤其是光声光谱，更是具有对光源波长无选择性而被广泛应用。光声光谱法是基于光声效应发展起来的光谱技术。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应；若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，即为光声光谱。

传统的光声光谱采用麦克风对声波进行探测，2002年美国莱斯大学率先使用石英音叉代替麦克风，使得装置的体积大大减小，取得了理想的效果。目前的石英音叉式气体检测装置还可进一步提高检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有更高检测灵敏度的谐振腔内石英音叉气体检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，包括谐振腔、吸收腔、石英音叉探测器、调制器、放大器单元和主机，其中：外部入射或内部泵浦激发的激光在所述谐振腔内振荡，以该激光作为检测光；所述吸收腔与谐振腔一体或分立设置，吸收腔为留有气口的密封腔体，位于检测光光路中，所述调制器在检测光光路中置于吸收腔前端；所述石英音叉探测器位于吸收腔内，包括共振管和石英音叉；共振管轴线与所述检测光光路同轴，共振管下部有一个开口槽；石英音叉位于所述开口槽处，其两个振臂分置于共振管轴线两侧，振臂平面与共振管轴线平行；所述石英音叉信号输出端连接放大器单元，放大器单元连接主机进行数据采集处理。

一种优选的，所述吸收腔与谐振腔分体设置，吸收腔位于谐振腔内，吸收腔两端分别设置透光的前窗口和后窗口，振荡的检测光经前窗口和后窗口入射吸收腔。

优选的，还包括泵浦光源和聚焦透镜，所述谐振腔内包括钛宝石晶体，所述泵浦光源发出的泵浦光经聚焦透镜入射所述钛宝石晶体，钛宝石晶体在谐振腔内出射激光，该激光为所述检测光。

优选的，所述谐振腔为四镜Z型折叠腔，谐振腔由两端第一反射镜和输出镜构成，中段设置转折光路的第二反射镜和第三反射镜；所述钛宝石晶体位于所述第二反射镜和第三反射镜之间，泵浦光透过第二反射镜入射至钛宝石晶体；所述吸收腔位于第三反射镜和输出镜之间。

优选的，所述第二反射镜和第三反射镜为曲率半径相同的凹面镜，用于在转折谐振光路的同时起到聚焦作用。

优选的，谐振腔内还设置有成布鲁斯特角的棱镜对，在谐振光路中补偿色散。

另一种优选的，所述吸收腔与谐振腔一体，吸收腔两端平行设置前平面反射镜和后平面反射镜，两反射镜构成F-P型谐振腔；检测光自前平面反射镜入射，在两反射镜间形成振荡。

作为上述所有技术方案的优选，所述放大器单元由前置放大器和锁相放大器组成，石英音叉信号输出端连接前置放大器，锁相放大器同时连接调制器、主机和前置放大器。调制器的调制频率为f₀/2的整数倍，其中f₀是石英音叉的共振频率，调制器的调制频率信号被输入到锁相放大器中作为参考信号，石英音叉的信号首先被输入到前置放大器中，然后再输入到锁相放大器中依据参考信号检波，锁相放大器中的信号输入到主机中进行数据采集。

优选的，所述调制器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。

本发明提供一种具有谐振腔的固态激光器或F-P腔结构的光谱检测装置，激光在谐振腔内部形成共振态，且只有小部分光透射出腔体，从而在谐振腔内的光强会远远大于腔外的光强，石英音叉探测器位于充满待测气体的密封的腔体内，由于石英音叉的探测灵敏度又与光强成正比，所以本发明提供的装置具有更高的灵敏度。

附图说明

图1为实施例1气体检测装置中的光路结构示意图；

图2为本发明所述气体检测装置中的石英音叉探测器放大结构立体图；

图3为实施例1气体检测装置整体结构示意图；

图4为实施例2气体检测装置吸收腔结构示意图；

图5为实施例2气体检测装置整体结构示意图。

其中：