本發(fā)明是關于一種寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀，涉及大氣環(huán)境質量監(jiān)測領域。

背景技術：

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏的光譜檢測手段，廣泛應用于大氣中痕量氣體濃度和氣溶膠消光特性的檢測。在特定波長下，它可以根據氣體的特征吸收檢測氣體的濃度，此外，在得知顆粒物的粒徑和濃度后，也可應用于檢測氣溶膠的消光截面和折射率等參數。光腔衰蕩光譜技術作為一種全新的、高靈敏的激光光譜技術，與傳統吸收光譜中探測透射光強度的變化不同，光腔衰蕩光譜測定的對象是光腔內光強衰減的速度。光在諧振腔內的強度隨時間呈現自然指數衰減。對于一個給定的諧振腔，在一定的激光頻率下，衰蕩時間為一個定值。它只與諧振腔的腔長、高反鏡的反射率和腔內介質的損耗有關，與入射光初始光強無關。這就避免了傳統吸收光譜中光源光強波動對檢測結果的影響。更為重要的是，由于光束在諧振腔內往返震蕩，大大提高了光程。作為一種可提供長光程，對激光穩(wěn)定性要求低，無需校準的絕對方法，光腔衰蕩光譜無論在實驗室研究以及外場觀測都得到了廣泛應用。

但是，目前所使用的光腔衰蕩光譜多為單波長或覆蓋很窄的波段，限制了它的廣泛應用。單波長最多只能用于檢測一種痕量氣體，而且只能給出該波長下氣溶膠的消光系數，無法給出寬波段范圍內氣溶膠光學性質的光譜分辨。然而，太陽光的波譜范圍寬廣，不同波段下氣溶膠的光學性質卻不盡相同，比如在紫外波段，很多有機氣溶膠存在光吸收。另外，大部分氣溶膠的折射率與波長相關，因此，覆蓋寬波段的光腔衰蕩光譜具有重要的應用價值。

技術實現要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在350～870nm波長范圍內的氣溶膠光學性質的高靈敏檢測的寬波段可調諧的光腔衰蕩光譜。

為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀，其特征在于，該光腔衰蕩光譜儀包括寬波段可調諧激光光源、光強調節(jié)系統、光路自動切換系統、光學諧振腔陣列和光強檢測及數據采集系統；所述寬波段可調諧激光光源用于實現不同波長下激光的輸出；所述光強調節(jié)系統用于對不同波長激光光強進行均一；所述光路自動切換系統用于使得經所述寬波段可調諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應某個波長范圍的所述光學諧振腔陣列內的光學諧振腔中；所述光強檢測及數據采集系統用于接收和記錄經所述光學諧振腔陣列出射的激光，同時記錄經所述寬波段可調諧激光光源輸出的激光波長。

優(yōu)選地，所述寬波段可調諧激光光源包括激光器、光參量振蕩器和控制器，所述激光器將產生的泵浦激光發(fā)送到所述光參量振蕩器，所述控制器根據試驗所需波長控制所述光參量振蕩器內的晶體和棱鏡自動轉到指定位置實現激光波長的選擇性輸出，同時所述控制器將所選擇的波長信息發(fā)送到所述光強檢測及數據采集系統的數據采集器內進行記錄，經所述光參量振蕩器輸出的某一波長的激光發(fā)射到所述光強調節(jié)系統進行光強調節(jié)。

優(yōu)選地，當所述光參量振蕩器輸出的激光為紫外光時，所述光強調節(jié)系統包括一光闌和一連續(xù)可調型中性密度濾波片，經所述光參量振蕩器輸出的激光發(fā)送到所述光闌收縮光束，經所述光闌出射的激光發(fā)射到所述光學諧振腔。

優(yōu)選地，當所述光參量振蕩器輸出的激光為可見光或紅外光時，所述光強調節(jié)光路包括一反射型中性密度濾波片、一光闌和一連續(xù)可調型中性密度濾波片，經所述光參量振蕩器輸出的激光先經所述反射型中性密度濾波片將光強進行一次衰減，經所述反射型中性密度濾波片出射光經所述光闌收縮光束后再經所述連續(xù)可調型中性密度濾波片調節(jié)光強發(fā)射到所述光路自動切換系統。

優(yōu)選地，所述光路自動切換系統包括若干電動升降光路反射鏡，每一所述電動升降光路反射鏡均通過一升降鏡架支撐固定，每一所述升降鏡架均通過一電纜電連接所述控制器，所述升降鏡架內置馬達，經所述光強調節(jié)系統輸出的激光反射到某一所述升降光路反射鏡，所述控制器通過控制所述電纜調節(jié)相應所述升降鏡架的降落或升起，從而使激光經某一電動升降光路反射鏡反射進入相應的光學諧振腔。

優(yōu)選地，所述光學諧振腔陣列包括若干縱向平行間隔設置的光學諧振腔，若干不同的所述光學諧振腔的兩端固定設置有若干組不同波長的高反射鏡片，每一所述光學諧振腔的腔體兩端固定設置有用于放置所述高反射鏡的可調高反鏡架，位于兩所述高反射鏡的一側下部別設置有吹掃氣流管用于進入吹掃氣流對所述高反射鏡進行吹掃，對應所述高反射鏡的位置，所述光學諧振腔上還分別設置有光腔進氣口和光腔出氣口，所述光學諧振腔體內部兩側還設置有隔離模塊。

優(yōu)選地，所述光強檢測及數據采集系統包括與所述光學諧振腔數量相同的聚焦透鏡、一分束光纖、一光電倍增管、一示波器和一數據采集器，經所述光學諧振腔出射的激光經所述聚焦透鏡聚焦到所述分束光纖的中心，所述分束光纖將出射的激光匯集所述光電倍增管，經所述光電倍增管進行光電轉換的信號分別發(fā)送到所述示波器和數據采集器，同時，所述控制器將經所述光參量振蕩器輸出的激光波長發(fā)送到所述數據采集器內。

優(yōu)選地，所述數據采集器采用裝設有高速數據采集卡的計算機。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于設置有光路自動切換系統，使得經寬波段可調諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應的某個波長范圍的光學諧振腔陣列內的光學諧振腔中，因此可以實現在350～870nm波長范圍內的氣溶膠光學性質的高靈敏檢測。2、本發(fā)明由于設置有寬波段可調諧激光光源，用于實現不同波長下激光的輸出，通過光路自動切換系統可以測量多種痕量氣體的濃度。3、本發(fā)明采用自動化控制，可實現不同波長下測量的快速切換也可以實現波段范圍的自動掃描。本發(fā)明可以廣泛應用于對350～870nm波長范圍內的氣溶膠光學性質進行高靈敏檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的光學諧振腔的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發(fā)明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應該理解成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提供的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀，包括寬波段可調諧激光光源、光強調節(jié)系統、光路自動切換系統、光學諧振腔陣列和光強檢測及數據采集系統。其中，寬波段可調諧激光光源用于實現不同波長下激光的輸出，本發(fā)明的寬波段可調諧激光光源可以輸出紫外光或可見光和紅外光。光強調節(jié)系統用于實現不同波長激光光強的均一，避免某一波段下過大的光強損傷光學諧振腔中高反射鏡鍍膜。光路自動切換系統用于使得經寬波段可調諧激光光源輸出的各種波長的激光均能發(fā)射到相對應的某個波長范圍的光學諧振腔陣列內的光學諧振腔中。光強檢測及數據采集系統用于接收和記錄經光學諧振腔陣列出射的激光，同時記錄經寬波段可調諧激光光源輸出的激光波長。

在一個優(yōu)選的實施例中，寬波段可調諧激光光源包括激光器1、光參量振蕩器2和控制器3，本發(fā)明實施例中的激光器3可以采用Nd:YAG激光器，以此為例，不限于此，Nd:YAG激光器1將產生355nm的泵浦激光發(fā)送到光參量振蕩器2，控制器3根據試驗所需波長控制光參量振蕩器2內的晶體和棱鏡自動轉到指定位置實現激光波長的選擇性輸出，同時控制器3將所選擇的波長信息發(fā)送到光強檢測及數據采集系統的數據采集器內進行記錄，經光參量振蕩器2輸出的某一波長的激光經光強調節(jié)系統調節(jié)光強后并經兩光路反射鏡4反射進入到相應的光學諧振腔內。

在一個優(yōu)選的實施例中，由于紫外波段激光能量較低，可以直接通過連續(xù)可調的方式進行光強衰減，當經光參量振蕩器2輸出的激光為紫外光時，光強調節(jié)系統包括一光闌5和一連續(xù)可調型中性密度濾波片6，經光參量振蕩器2輸出的激光發(fā)送到光闌5收縮光束，經光闌5出射的激光依次經兩光路反射鏡4發(fā)射到光學諧振腔。當經光參量振蕩器2輸出的激光為可見光或紅外光，光強調節(jié)系統包括一反射型中性密度濾波片7、一光闌8和一連續(xù)可調型中性密度濾波片9，由于可見光或紅外光能量較高，經光參量振蕩器2輸出的激光先經反射型中性密度濾波片7將光強進行一次衰減，經反射型中性密度濾波片7出射光經光闌8收縮光束后再經連續(xù)可調型中性密度濾波片9調節(jié)光強后發(fā)射到光路反射鏡4。

在一個優(yōu)選的實施例中，光路自動切換系統包括若干電動升降光路反射鏡10，每一電動升降光路反射鏡10均通過一升降鏡架支撐固定，每一升降鏡架均通過一電纜電連接控制器3，升降鏡架內置高精度馬達，可實現精準的位置切換和還原。當寬波段可調諧激光光源輸出的為可見光或紅外光時，經光強調節(jié)系統輸出的激光經光路反射鏡4反射到某一電動升降光路反射鏡10，控制器3通過控制電纜調節(jié)相應升降鏡架的降落或升起，從而使激光經某一電動升降光路反射鏡10反射進入相應的光學諧振腔。當激光器的輸出波長為λ時，控制器判斷λ所屬的波長范圍，然后將該波長范圍所對應的升降鏡架控制信號輸出為“1”，該升降鏡架升起；將其他升降鏡架的控制信號均輸出為“0”，其他升降鏡架降下。例如：如果經光參量振蕩器輸出的波長為540nm，則波長為515～570nm高反射鏡片的光學諧振腔所對應的升降鏡架升起，而所有其他升降鏡架均降下，使波長為540nm激光通過，將激光反射進入此光學諧振腔體。當改變波長超出一組高反射鏡片覆蓋范圍時，需要將光路在不同諧振腔之間切換，采用高精度馬達控制的升降鏡架來使激光通過或被反射，保證光路在切換后不受影響。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖2所示，光學諧振腔陣列包括縱向平行間隔設置的光學諧振腔11，本發(fā)明實施例中光學諧振腔的個數為7個，以此為例，不限于此，7個不同的光學諧振腔11的兩端固定設置有7組不同波長的高反射鏡片111。每一組高反射鏡片111的反射率應在99.9％或以上，本發(fā)明的7個光學諧振腔所采用的高反射鏡片111的波長分別為350～400nm、410～460nm、465～510nm、515～570nm、580～665nm、670～750nm、760～870nm，但不局限于以上波長范圍。7個光學諧振腔11的結構完全相同，每一光學諧振腔11的腔體兩端固定設置有用于放置高反射鏡111的可調高反鏡架112，可以通過微調螺絲113調節(jié)可調高反射鏡架實現對高反射鏡111位置的調節(jié)，位于兩高反射鏡111的一側下部分別設置有吹掃氣流管114用于進入吹掃氣流對高反射鏡111進行吹掃。對應高反射鏡111的位置，光學諧振腔上還分別設置有光腔進氣口115和光腔出氣口116，為了防止高反射鏡111被污染，光學諧振腔11內部兩側還設置有隔離模塊117，用于將氣溶膠氣流與吹掃氣流分開，從而進一步防止當氣溶膠濃度很高或者流量很大時對高反射鏡111的污染。

在一個優(yōu)選的實施例中，如圖1所示，光強檢測及數據采集系統包括與光學諧振腔數量相同的聚焦透鏡12、分束光纖13、光電倍增管14、示波器15和數據采集器16，經光學諧振腔11出射的激光經聚焦透鏡12聚焦到分束光纖13的中心，分束光纖13將出射的激光匯集光電倍增管14，經光電倍增管14進行光電轉換的信號分別發(fā)送到示波器15和數據采集器16，同時，控制器3將經光參量振蕩器2輸出的激光波長發(fā)送到數據采集器16內，數據采集器16可以采用采用裝設有高速數據采集卡的計算機。

下面通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀的測量原理。

本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀的測量方法基于朗伯-比爾定律，通過檢測激光在光學諧振腔11內的高反射鏡111之間多次反射后光強的衰減，計算光學諧振腔內11高反射鏡111之間介質的消光系數。假設光電倍增管14所檢測到的初始光強為I₀，經過高反射鏡111多次反射后，光強衰減為I₀/e的時間即為衰蕩時間。如果光學諧振腔11腔內為零空氣，則將信號視為背景，消光系數為零，此時所監(jiān)測到的衰蕩時間為τ₀。如果光學諧振腔11內存在氣溶膠或吸收性氣體，則消光系數增大，衰蕩時間變短為τ。假設光腔進氣口115與光腔出氣口116之間的距離為l，兩個高反射鏡片111之間的距離為L，則計算介質的消光系數α_ext的公式為：

式中，c表示光速。

若采用本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀檢測痕量氣體，得知氣體單位濃度吸收截面σ_abs的情況下，則可以通過C_gas＝α_ext/σ_abs計算氣體濃度C_gas。例如：在380～420nm波長處，可以通過二氧化氮NO₂分子的吸收截面(6*10^-19cm²)和檢測到的消光系數來計算污染氣體NO₂的濃度；同樣地，在662nm波長處，也可以使用本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀來檢測NO₃自由基的濃度。

若采用本發(fā)明的寬波段可調諧光腔衰蕩光譜儀檢測氣溶膠，在得知氣溶膠數濃度N的情況下，即可通過σ_ext＝α_ext/N計算每一個氣溶膠顆粒的消光截面σ_ext，若得知氣溶膠粒徑，還可以進一步計算得到折射率，從而得到氣溶膠的在不同波長下的消光特性。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。