[发明专利]一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统

说明书

本发明提供一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统，包括第一红外光梳光源、第二红外光梳光源、第一光栅、第二光栅、气样池、增强腔输入镜、增强腔输出镜、第三光栅、第四光栅、半波片、合束片、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器和频谱分析仪。本申请利用红外宽谱带双光梳光源对气体进行检测，针对不同气体分子的特征吸收峰，在气样池内放入多组相应波段的增强型高反射率腔镜，达到多波段光梳与分子相互作用的增强效果，解决了传统腔增强光谱技术存在的宽谱测量难题；通过采用双光梳光谱技术实现高分辨高精度的气体谱线测量，提升气体检测选择性和精确度的同时，结合腔增强技术增加了气体检测灵敏度与响应度，达到全面检测。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统。

背景技术

气体检测技术具有广泛应用价值，对避免和控制事故有着重要的指示意义，例如针对管道运输的泄露检测、化工生产的应急检测、电气设备的检修检测、污染排放的废气检测等。实际应用中，大多数被检测气体的浓度低，因此要求高灵敏度的气体监测手段。由于红外波段为气体分子振动和转动能级的强吸收光谱区，即指纹光谱区，因而通过测量吸收谱线可以表征气体分子，故在气体检测领域具有重要应用价值。目前，气体光谱检测方法有非色散红外法、傅立叶变换红外光谱法、差分光学吸收光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱和光声光谱技术等。

非色散红外法利用广谱光源检测特定气体，通过滤光片对红外波段进行选择，并基于气体选择吸收特性对气体分子进行分析。这项技术对特定气体分子分析具有快速、准确的优点；但是存在波段狭窄、选择性差，精度较低等问题，且测量结果易受到共存干扰物的影响。

傅里叶变换红外光谱技术通过迈克尔逊干涉仪使信号光和本征光产生干涉，并通过傅立叶变换转换得到红外光谱图，可以用于定性、定量的气体分析，其测量精度高、噪声低，常用于大气污染物的监测，但是其灵敏度低，难以实现百万分之一及以下的气体浓度检测。

差分光学吸收光谱通过探测气体差分吸收特性，并根据Beer-Lambert定律反演微量气体种类和浓度信息。此技术原理结构简单，且精度高；但该方法主要用于低吸光气体浓度的检测，且在光学介质均匀分布的非散射体系下应用，因此大大限制了其应用范围。

可调谐二极管激光吸收光谱技术采用频率或波长可调谐的半导体激光光源，通过频率扫描的方式，得到分子单根谱线的吸收光谱，再利用被测气体的分子指纹特性计算获得气体浓度、温度等信息。此技术具有高灵敏和高分辨率的优点，但是响应速度慢；此外受到光源调谐范围的限制，该技术应用范围有限。

光声光谱技术是一种基于光声效应和红外吸收理论的气体检测技术。其原理是气体分子吸收经过调制的激光后周期性地以“光—热—声”转换，并利用声传感器探测随波长变化的光声信号，以获得光声光谱，最后利用声波幅值与气体浓度的对应关系求出气体的浓度。由于无耗材和无机械结构，这项技术具有稳定性好、采样量少、寿命长等特点；但其难以实现现场连续采样检测，且容易受到现场环境变化和其他气体的干扰，测量精度较低。

因此，目前传统气体光谱检测技术存在测量耗时、精度低、分辨率低，以及探测灵敏度有限和对多组分气体定量分析困难等问题。

发明内容

针对现有气体光谱检测技术存在测量耗时、精度低、分辨率低，以及探测灵敏度有限和对多组分气体定量分析困难的技术问题，本发明提供一种多波段腔增强红外光梳光谱气体检测系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：