一種基于腔長(zhǎng)改變的光腔衰蕩氣體消光系數(shù)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體消光系數(shù)測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于腔長(zhǎng)改變的光腔衰蕩 氣體消光系數(shù)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化的加速，環(huán)境污染問題日益加劇，尤其近 些年出現(xiàn)的光化學(xué)污染和灰霾細(xì)顆粒物污染日趨嚴(yán)重。這些有害污染物嚴(yán)重影響著人民的 生活和健康，環(huán)境監(jiān)測(cè)就變得尤為重要。大氣中含浮的各種固體和液體粒子，例如塵埃、煙 粒、微生物以及云霧和雨雪等粒子對(duì)地球大氣輻射收支平衡、全球氣候和人類健康有著重 要影響。大氣的光學(xué)特性與其基本物理化學(xué)特性有關(guān)，因此大氣光學(xué)特性(如消光系數(shù)）的 測(cè)量就變得尤為重要。光腔衰蕩技術(shù)由〇'Keefe在1988提出，具有檢測(cè)限低、靈敏度高等優(yōu) 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體消光系數(shù)的高靈敏測(cè)量中。與傳統(tǒng)的基于分光光度法的消光系數(shù)測(cè)量 方法相比，光腔衰蕩技術(shù)測(cè)量的是腔衰蕩時(shí)間而不是光強(qiáng)度，不受光源光強(qiáng)度波動(dòng)的影響， 因而具有更高的測(cè)量靈敏度。
[0003] 中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01410765366.8的發(fā)明專利"一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣溶膠 消光同時(shí)測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置及方法"、中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01310087153.X的發(fā)明專 利"雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀及消光系數(shù)測(cè)量方法"、中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?200910092865.4的發(fā)明專利"基于量子級(jí)聯(lián)激光器的紅外光腔衰蕩光譜痕量氣體檢測(cè)方 法"、以及氣溶膠消光系數(shù)測(cè)量相關(guān)文獻(xiàn)（如H.Moosmuller，R. Varma，and W.P. Arnott， "Cavity ring-down and cavity-enhanced detection techniques for the measurement of aerosol extinction，''Aerosol Sci · Technol ·，39( 1)，30-39(2005)、 A.ff.Strawa,R.Castaneda,T.Owano,D.S.Baer,and B.A.Paldus，"The measurement of aerosol optical properties using continuous wave cavity ring-down techniques，''Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 20,454-465(2003)等） 中，在測(cè)量消光系數(shù)時(shí)都采用了密封樣品池和復(fù)雜的氣路系統(tǒng)，在測(cè)試樣品之前都需要先 測(cè)量消光系數(shù)為零的參考?xì)怏w光學(xué)諧振腔以消除儀器背景對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。光腔衰蕩光 譜技術(shù)常用消除背景的方法是先在密封樣品池內(nèi)充入無損耗的惰性氣體(如氮?dú)猓┮钥鄢?背景影響。采用密封樣品池和復(fù)雜氣路系統(tǒng)不僅使測(cè)量裝置變得復(fù)雜，而且可能因?yàn)闅怏w 置換不完全等原因而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光腔衰蕩測(cè)量氣體消光系數(shù)需要密封樣品池、需要測(cè) 量背景和氣體樣品需要通過氣路系統(tǒng)采樣等缺點(diǎn)，提供一種基于腔長(zhǎng)改變的光腔衰蕩氣體 消光系數(shù)測(cè)量方法。
[0005] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種基于腔長(zhǎng)改變的光腔衰蕩氣體消光 系數(shù)測(cè)量方法，該方法采用折疊型光學(xué)諧振腔測(cè)量裝置對(duì)光腔衰蕩氣體消光系數(shù)進(jìn)行測(cè) 量，該測(cè)量裝置由半導(dǎo)體連續(xù)激光光源、光學(xué)諧振腔、聚焦透鏡、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、 計(jì)算機(jī)、函數(shù)發(fā)生器以及一維電控位移臺(tái)組成，光學(xué)諧振腔由凹面曲率半徑為r的第一塊平 凹高反鏡、第二塊平凹高反鏡和平面高反鏡組成，所述的平面高反鏡傾斜于光軸設(shè)置，第一 塊平凹高反鏡垂直于光軸設(shè)置，第二塊平凹高反鏡安裝在一維電控位移臺(tái)上；或者由凹面 曲率半徑為 r的第一塊平凹高反鏡和第二塊平凹高反鏡組成，所述的第一塊平凹高反鏡垂 直于光軸設(shè)置，第二塊平凹高反鏡安裝在一維電控位移臺(tái)上;該光腔衰蕩氣體消光系數(shù)測(cè) 量方法包括以下步驟：
[0006] 步驟si、將脈沖激光或光強(qiáng)周期調(diào)制的連續(xù)激光入射到放置于待測(cè)氣體環(huán)境的光 學(xué)諧振腔上，入射激光束從平面高反鏡透射后垂直入射到第一塊平凹高反鏡上，激光束被 第一塊平凹高反鏡反射后按原路返回至平面高反鏡上，然后被平面高反鏡再次反射，反射 光垂直入射到第二塊平凹高反鏡上并被反射回平面反射鏡，形成光腔衰蕩;或者，入射激光 束從第一塊平凹高反鏡透射后垂直入射到第二塊平凹高反鏡上，并被反射回第一塊平凹高 反鏡，形成光腔衰蕩；
[0007] 步驟S2、從光學(xué)諧振腔透射的激光由聚焦透鏡聚焦到光電探測(cè)器上，光電探測(cè)器 探測(cè)光學(xué)諧振腔的衰蕩信號(hào)，當(dāng)采用脈沖激光時(shí)，光電探測(cè)器直接記錄光學(xué)諧振腔的光腔 衰蕩信號(hào)，光腔衰蕩信號(hào)再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞到計(jì)算機(jī)上并存儲(chǔ)；當(dāng)采用光強(qiáng)周期調(diào)制的 連續(xù)激光時(shí)，且光學(xué)諧振腔的衰蕩信號(hào)幅值超過設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)關(guān)斷入射激光束，記錄光 學(xué)諧振腔的衰蕩信號(hào)，或在調(diào)制信號(hào)的下降沿記錄光學(xué)諧振腔的衰蕩信號(hào)，由衰蕩信號(hào)得 至|J衰蕩時(shí)間τ，進(jìn)而得到光學(xué)諧振腔的總損耗at〇tai，總損耗at〇 tai根據(jù)公式％,^((1-蝌構(gòu)^計(jì) CT 算得到，其中R為高反腔鏡的平均反射率，C為光速，L為光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)；
[0008] 步驟S3、通過控制一維電控位移臺(tái)改變第二塊平凹高反鏡位置改變光學(xué)諧振腔腔 長(zhǎng)，重復(fù)步驟S2,測(cè)量?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上不同光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)L下光學(xué)諧振腔的總損耗，通過 兩個(gè)光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)L下的損耗值差值或兩個(gè)以上光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)L下?lián)p耗值與光學(xué)諧振 腔腔長(zhǎng)L之間關(guān)系的線性擬合的斜率，即可得到待測(cè)氣體消光系數(shù)為= 其中atotaiu和atC)talLj2分別為光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)i和L2時(shí)的總損耗。
[0009] 其中，所述的脈沖激光和連續(xù)激光均可由半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器 或染料激光器中任意一種產(chǎn)生。
[0010]其中，所述的光學(xué)諧振腔為穩(wěn)定腔或共焦腔，總腔長(zhǎng)L滿足0〈L<2r。
[0011] 其中，所述的觸發(fā)關(guān)斷入射激光束可通過以下方式之一實(shí)現(xiàn)：
[0012] a.采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器時(shí)，當(dāng)光學(xué)諧振腔輸出信號(hào)幅值高于設(shè)定閾值時(shí)，快速 關(guān)閉半導(dǎo)體激光器激勵(lì)電流或電壓；
[0013] b.采用連續(xù)半導(dǎo)體或固體激光器或氣體激光器或染料激光器時(shí)，當(dāng)光學(xué)諧振腔輸 出信號(hào)幅值高于設(shè)定閾值時(shí)，在激光器和入射高反射腔鏡之間采用快速光開關(guān)來關(guān)閉激光 束；
[0014] c.采用方波調(diào)制快速光開關(guān)，或方波調(diào)制激光激勵(lì)電源時(shí)，當(dāng)光學(xué)諧振腔輸出信 號(hào)幅值高于設(shè)定閾值時(shí)，利用方波下降沿來關(guān)閉激光束。
[0015]其中，所述的光學(xué)諧振腔的衰蕩時(shí)間τ由光電探測(cè)器測(cè)得的光腔衰蕩信號(hào)按單指 數(shù)衰減函數(shù)/0 = I; +&擬合得出，其中A和B均為常系數(shù)。
[0016] 其中，所述的通過控制一維電控位移臺(tái)改變第二塊平凹高反鏡位置改變光學(xué)諧振 腔腔長(zhǎng)時(shí)，光學(xué)諧振腔的對(duì)準(zhǔn)不發(fā)生改變。
[0017] 其中，所述的通過控制一維電控位移臺(tái)改變第二塊平凹高反鏡位置改變光學(xué)諧振 腔腔長(zhǎng)時(shí)，腔長(zhǎng)總改變量不少于0.1米，且位置控制精度優(yōu)于0.1毫米。
[0018] 其中，所述的激光器為單波長(zhǎng)激光器或可調(diào)諧激光器。
[0019] 其中，所述的快速光開關(guān)為電光調(diào)制開關(guān)或聲光調(diào)制開關(guān)。
[0020] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] (1)本發(fā)明采用開放式光腔，不需要采樣，可以直接在待測(cè)氣體環(huán)境中測(cè)量，避免 了采樣帶來的誤差。
[0022] (2)本發(fā)明裝置簡(jiǎn)單，不需要密封樣品池和復(fù)雜的氣路系統(tǒng)。
[0023] (3)本發(fā)明不需要測(cè)量背景信號(hào)，不需要標(biāo)定直接獲得待測(cè)氣體消光系數(shù)絕對(duì)值。
【附圖說明】
[0024] 圖1為折疊型光學(xué)諧振腔測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為直型光學(xué)諧振腔測(cè)量裝置示意圖；
[0026] 圖3為圖2的另一種結(jié)構(gòu)不意圖；
[0027] 圖4為利用圖1裝置測(cè)量潔凈實(shí)驗(yàn)室空氣在不同腔長(zhǎng)下的衰蕩時(shí)間和總損耗；
[0028]圖中，1-半導(dǎo)體連續(xù)激光光源，2-第一塊平凹高反鏡，3-第二塊平凹高反鏡，4-聚 焦透鏡，5-光電探測(cè)器，6-數(shù)據(jù)采集卡，7-計(jì)算機(jī)，8-函數(shù)發(fā)生器，9-一維電控位移臺(tái)，10-平 面高反鏡，11-快速光開關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述：
[0030] 實(shí)施例一，如圖1所示，一種基于腔長(zhǎng)改變的光腔衰蕩氣體消光系數(shù)測(cè)量方法，它 采用折疊型光學(xué)諧振腔測(cè)量裝置對(duì)光腔衰蕩氣體消光系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量裝置由半導(dǎo)體 連續(xù)激光光源1、光學(xué)諧振腔、聚焦透鏡4、光電探測(cè)器5、數(shù)據(jù)采集卡6、計(jì)算機(jī)7、函數(shù)發(fā)生器 8以及一維電控位移臺(tái)9組成，光學(xué)諧振腔由凹面曲率半徑為r的第一塊平凹高反鏡2、第二 塊平凹高反鏡3和平面高反鏡10組成，所述的半導(dǎo)體連續(xù)激光光源1與函數(shù)發(fā)生器8之間順 次連接有平面高反鏡10、第一塊平凹高反鏡2、聚焦透鏡4、光電探測(cè)器5、數(shù)據(jù)采集卡6和計(jì) 算機(jī)7,半導(dǎo)體連續(xù)激光光源1與計(jì)算機(jī)7相連接，所述的平面高反鏡10傾斜于光軸設(shè)置，第 一塊平凹高反鏡2垂直于光軸設(shè)置，第二塊平凹高反鏡3安裝在一維電控位移臺(tái)9上，第一塊 平凹高反鏡2、第二塊平凹高反鏡3和平面高反鏡10在半導(dǎo)體連續(xù)激光光源1輸出波長(zhǎng)處的 反射率大于99%，光腔衰蕩氣體消光系數(shù)測(cè)量方法包括以下步驟：
[0031] 步驟S1、將脈沖激光或光強(qiáng)周期調(diào)制的連續(xù)激光入射到放置于待測(cè)氣體環(huán)境的光 學(xué)諧振腔上，入射激光束從平面高反鏡10透射后垂直入射到第一塊平凹高反鏡2上，激光束 被第一塊平凹高反鏡2反射后按原路返回至平面高反鏡10上，然后被平面高反鏡10