[发明专利]一种半开腔共振式光声池

说明书

本发明属于痕量气体检测技术领域，提供一种半开腔共振式光声池，包括壳体、谐振腔、缓冲室、光学玻璃窗片、声波传感器、进气口和出气口。该结构将传统的一阶纵向共振式光声池谐振腔一侧的缓冲室去除，将声波传感器置于此位置，另一侧的缓冲室保留，形成半开半闭式的光声池结构。声波传感器将产生的光声信号采集，通过分析处理获得待测气体的浓度信息。在缓冲室的端面安装有光学玻璃窗片，让激励光顺利通过，在靠近声波传感器的谐振腔位置设有进气孔，在缓冲室的侧壁设有出气孔。本发明的光声池提高了光声信号强度，气体的检测极限灵敏度更高；同时减小光声池的加工难度、气体的平衡时间和气样体积，为高灵敏度痕量气体的检测提供了新的解决方案。

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及到一种半开腔共振式光声池。

背景技术

痕量气体检测在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域有着广泛的应用需求。随着激光技术的发展，光谱技术已经成为一种具有高灵敏度、响应时间快和选择性强等优势的气体检测方法。光声光谱是通过直接测量气体因吸收光能而产生热量的光谱量热技术，是一种无背景吸收光谱技术。气体光声光谱技术的基本原理为：待测气体吸收特殊波段的光能量后，气体分子从基态跃迁到激发态，但由于高能级激发态的不稳定性，会通过碰撞弛豫重新回到基态，同时根据能量守恒定律，将吸收的光能量转化为分子的平动能，即造成气室中局部温度升高。当光以一定频率调制后，其始终局部温度就会周期性的升高降低，从而产生与激光调制频率一致的声波信号。利用声波探测器对产生的声波信号进行采集，通过分析处理就可以获得待测气体的浓度信息。

基于光声光谱检测技术的探测系统中，一般采用光声池作为声波产生单元。光声池分为共振式光声池和非共振式光声池两种结构。共振式光声池是以声波在光声池中传播的某个本征频率来调制光源，声波在光声池中形成驻波，光声信号从而实现共振放大，因此共振式光声池对于气体的检测灵敏度更高。光声信号大小和光声池常数成正比关系，因此可以通过提高池常数来提高光声信号。对于传统共振式光声池，要想提高池常数的大小，可以通过减小谐振腔的半径，但是过小的半径会增加激光器准直的难度，一旦光束照射到池壁上，会引起池壁吸收，增加系统的噪声，因此在不改变传统光声池结构的前提下，池常数的提高空间有限。同时传统的共振式光声池的谐振腔两侧各有一个缓冲室的结构，系统内部的气路体积较大，在进行微量气体检测时所需的气样量明显增加。因此设计一种高性能共振式光声池结构对于微量气体检测领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种半开腔式共振光声池结构。在谐振腔尺寸不变的前提下，该方法不仅可以提高光声信号的强度，提高气体的检测灵敏度，同时减小了光声池的加工难度，减小了气体的平衡时间和所需气样体积，为光声光谱检测技术在微量气体检测领域的应用中拓展了更大的空间。

本发明的技术方案：

一种半开腔共振式光声池，包括壳体1、谐振腔2、缓冲室3、光学玻璃窗片4、声波传感器5、进气口6和出气口7；将传统的共振式光声池谐振腔2一侧的缓冲室3去除，将声波传感器5置于此位置，另一侧的缓冲室3保留，形成半开半闭式的光声池结构；声波传感器5将产生的光声信号采集，通过分析处理获得待测气体的浓度信息；在缓冲室3的端面安装有光学玻璃窗片4，让激励光顺利通过，在靠近声波传感器5的谐振腔2位置设有进气孔6，在缓冲室3的侧壁设有出气孔7。