[发明专利]光声光谱检测系统及方法

说明书

本发明涉及一种光声光谱检测系统及方法，系统采用广谱光源，结合光谱色散器件与空间光调控器进行光束强度与波长的高频调制，取消了机械斩波器，减小了系统体积和重量，提高了稳定性，大幅降低了背景噪声。

技术领域

本发明涉及一种光声光谱检测系统及方法，特别是针对广谱光源，采用非机械方法实现激励光源的高频率强度与波长调制，属精密光谱检测技术领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，环境污染问题曰益严重，空气质量严重下降，雾霾现象频繁发生，其主要来源于各种污染气体的排放。其中，大气污染物主要有一氧化碳，二氧化硫和氮氧化物等有害气体。这些气体存在于空气当中，如果不及时发现和解决，将会对人们的身体健康和日常生活造成很大的影响，因此对环境的监测和治理已经成为非常重要的任务。同时工业生产中有害与危险气体的泄露也是重大安全事故的直接引发者，会带来经济和人身安全上的巨大损失。

目前，痕量气体的高精度检测技术包括非光学手段，如电化学传感器、气敏法、热催化发、气相色谱法等，这些方法检测精度可以达到ppm量级，但与光学检测方法相比，非光学检测方法的传感器使用寿命短，动态范围窄，收集采样和处理时间慢，不适合在线实时检测。光学检测方法具有灵敏度和可靠性高及可在线实时检测等优点，是气体检测的理想方法。近年来光学检测方法的新技术相继出现，如波长调制吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术和光声光谱技术等。光声光谱测量技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱法，其原理是，当物质分子受到光照射时，分子因吸收光能而被激发到高能态，然后通过非辐射消激发过程使吸收的光能转变为分子的动能。如果照射光束经过周期性调制，则在物质内产生周期性的温度变化并导致压力的周期性变化，因而产生声波即光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则取决于物质的光学、热学、弹性及周边空间的几何特性等。由于光声信号直接正比于物质吸收的光能，而不同成分的物质具有不同波长的吸收峰值，因此当具有连续宽光谱的光源照射样品时，样品内不同成分的物质将在吸收峰相对应的光波波长处产生较强的光声信号，通过分析光声信号随波长的变化，可以得到物质的光声光谱。光声光谱技术具有无背景噪声干扰的特点，不受光的反射和散射影响，检测灵敏度最高可以达到ppt量级，并适用于气体、液体、固体、粉末等各种样品的检测。

光声光谱装置的一个重要组成部件是激励光源，要求高能广谱。可调谐激光器虽是最理想的光源，具有单色、可直接调制的优点。但其光谱覆盖范围窄，价格昂贵，不利于应用推广。因此目前主流还是采用热光源，如氙灯、卤素灯、红外灯、电弧灯等。对于此类广谱光源，波长的选择通常采用窄带滤波片。滤波片的透射损耗大，不能连续改变，且价格昂贵。为了提高检测灵敏度和降低各种噪声干扰，光声光谱系统通常希望采用较高调制频率。但由于上述热光源的热惯性大，不能采用驱动源直接进行调制，故多采用机械斩波器。但斩波器的体积大，调制频率相对低，频率稳定性差。因此亟需新型激励光源及调制技术。

发明内容

本发明的目的就是针对目前光声光谱检测技术中所采用的广谱光源的不足，提出一种新型的光声激励源装置及方法。该装置采用光谱色散器件结合空间光调控器，实现对广谱光源的波长选择与调控。光谱色散器件将广谱光源按波长在空间展开，并投射到空间光调控器上。空间光调控器可以对任意波长的光进行反射方向的调制，通过周期性地将特定波长的光能量投射到光声池中并激励光声信号，特定波长的光谱带宽可以根据需要任意截取。该装置可同时实现光的强度调制与波长调制，可以采用多种方法实现背景信号的抑制。该装置不需采用机械斩波器和滤光片，因此系统的稳定性大幅提高，且调制频率高，体积重量小，适合工业应用。

附图说明

图1为现有技术中采用热光源激励的光声光谱系统示意图，其中：

（a）为采用斩波器进行调制的光声光谱系统示意图；

（b）为采用可直接调制光源的光声光谱系统示意图；

图2为几种光谱色散器件的示意图，其中：