一种测量气体吸收光谱的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种测量气体吸收光谱的装置及方法。本发明专利技术的目的是解决现有的气体吸收光谱测量技术灵敏度低、测量速度慢、多种气体分子探测受限制的技术问题。本发明专利技术的技术方案是：一种测量气体吸收光谱的装置，包括飞秒激光器、滤光片、第一平面反射镜、法布里‑珀罗共振腔、压电陶瓷、样品池、第一凸透镜、第二凸透镜、第二平面反射镜、柱形透镜、玻璃板、光栅、曲面反射镜、电荷耦合器件、电脑和高压电源；一种测量气体吸收光谱的方法，将一束宽带飞秒激光选择波长和模式后，入射到样品池上，透射光通过由玻璃板和光栅组成的分光系统先后在正交的两个方向上分光，经电荷耦合器件探测气体吸收信息的二维阵列，获取高分辨气体吸收光谱。

【技术实现步骤摘要】
一种测量气体吸收光谱的装置及方法
本专利技术涉及飞秒吸收光谱技术，具体为一种测量气体吸收光谱的装置及方法。
技术介绍
光谱技术是现代生产、环境保护、生物医学及科学研究中非常重要的工具，光谱线的波长、强度和线宽反映了原子或分子丰富的信息，是人们洞察原子和分子内部结构、运动规律以及物化特性的窗口。从光谱中提取到的信息量主要依赖于测量可达到的光谱分辨和探测灵敏度。激光具有很高的亮度和单色性，与物质相互作用将产生饱和吸收、双光子和多光子吸收以及偏振效应等各种非线性现象，利用这些光学现象可以显著地提高光谱分辨率。饱和吸收光谱是利用激光在物质中产生的饱和吸收现象，获得亚多普勒宽度的光谱线，但是由于受到饱和光束强度和二阶多普勒效应存在引起的谱线加宽，它的光谱分辨率在1010左右。双光子吸收光谱是基于双光子吸收现象建立的一种应用比较广泛的高分辨光谱技术，光谱分辨率可以达到1017左右。偏振光谱是根据光的偏振特性的变化量获取光谱信息，能够消除的光谱本底噪声，光谱的分辨率可以提高到1018。光谱技术的探测灵敏度主要受系统噪声的限制，目前主要通过频率调制和波长调制等技术，将待测样品的信息编码到高频段并进行高频探测，从而抑制系统中的低频噪声。但是它们的探测灵敏度受残余幅度调制所引起的背景噪声的抑制，灵敏度在10-5～10-6量级，响应速度较慢。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有的气体吸收光谱测量技术灵敏度低、测量速度慢、多种气体分子探测受限制的技术问题，提供一种测量气体吸收光谱的装置及方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种测量气体吸收光谱的装置，包括飞秒激光器、滤光片、第一平面反射镜、法布里-珀罗共振腔、压电陶瓷、样品池、第一凸透镜、第二凸透镜、第二平面反射镜、柱形透镜、玻璃板、光栅、曲面反射镜、电荷耦合器件、电脑和高压电源；所述滤光片和第一平面反射镜依次设在飞秒激光器的出射光路上；所述法布里-珀罗共振腔、样品池、第一凸透镜、第二凸透镜和第二平面反射镜依次设在第一平面反射镜的反射光路上，所述压电陶瓷设在法布里-珀罗共振腔的一侧面上，压电陶瓷通过同轴电缆线和高压电源连接；所述柱形透镜、玻璃板和光栅依次设在第二平面反射镜的反射光路上，所述玻璃板相对于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射镜设在光栅的反射光路上，所述电荷耦合器件设在曲面反射镜的反射光路上，所述电荷耦合器件的信号输出端与电脑的信号输入端过数据采集线连接。进一步地，所述样品池的入射窗口和出射窗口均为镀有高增透膜的布儒斯特窗口。一种基于上述测量气体吸收光谱的装置的方法，包括如下步骤：1)飞秒激光器输出的宽带飞秒激光进入滤光片选择波长，再经第一平面反射镜反射后进入法布里-珀罗共振腔选择模式；2)选择波长和模式后的飞秒激光入射并穿过样品池，从样品池透射出的携带气体吸收信息的飞秒激光经过第一凸透镜和第二凸透镜进行扩束，扩束后的飞秒激光经第二平面反射镜进入柱形透镜被整形为椭圆光束，然后进入玻璃板，在玻璃板内多次反射，输出携带气体信息的光阵列，再经光栅，在两个正交方向上对光束进行分光；3)分光后的飞秒激光经曲面反射镜反射后进入电荷耦合器件成像为二维点阵列，并将其转换成相应的电信号后输入至电脑处理分析气体的吸收特性。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术利用宽带飞秒激光作为光源和气体相互作用，利用玻璃板和光栅组成的光谱分析仪将气体吸收信号分光，通过电荷耦合器件(CCD)探测吸收信号二维阵列，实现宽带、高速、灵敏的多重探测气体吸收光谱，整个装置可以小型化设计，携带方便；2)本专利技术利用宽带飞秒激光具有宽的波长范围(500nm-1000nm)、脉宽窄(小于100fs)和频率稳定高的特点，可根据待测气体需要选择不同的滤光片，不需更换激光光源，实现在500nm到1000nm范围内研究不同气体的分子光谱；3)本专利技术通过玻璃板和光栅组合实现气体吸收信号在两个正交方向上的分光，获取吸收信息信号二维阵列，极大地提高探测灵敏度，且探测时间短，可以实时监测气体成分和浓度。4)本专利技术具有测量速度快、探测灵敏度高、光谱分辨率高等优点，可以广泛地应用于环境保护、工业生产、生物医学及科学研究等各个领域。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图，图中：1-飞秒激光器，2-滤光片，3-第一平面反射镜，4-法布里-珀罗共振腔，5-压电陶瓷，6-样品池，7-第一凸透镜，8-第二凸透镜，9-第二平面反射镜，10-柱形透镜，11-玻璃板，12-光栅，13-曲面反射镜，14-电荷耦合器件，15-电脑，16-高压电源。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。如图1所示，本实施例中的一种测量气体吸收光谱的装置，包括飞秒激光器1、滤光片2、第一平面反射镜3、法布里-珀罗共振腔4、压电陶瓷5、样品池6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、第二平面反射镜9、柱形透镜10、玻璃板11、光栅12、曲面反射镜13、电荷耦合器件14、电脑15和高压电源16；所述滤光片2和第一平面反射镜3依次设在飞秒激光器1的出射光路上；所述法布里-珀罗共振腔4、样品池6、第一凸透镜7、第二凸透镜8和第二平面反射镜9依次设在第一平面反射镜3的反射光路上，所述样品池6的入射窗口和出射窗口均为镀有高增透膜的布儒斯特窗口；所述压电陶瓷5设在法布里-珀罗共振腔4的一侧面上，压电陶瓷5通过同轴电缆线和高压电源16连接；所述柱形透镜10、玻璃板11和光栅12依次设在第二平面反射镜9的反射光路上，所述玻璃板11相对于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射镜13设在光栅12的反射光路上，所述电荷耦合器件14设在曲面反射镜13的反射光路上，所述电荷耦合器件14的信号输出端与电脑15的信号输入端过数据采集线连接。基于上述实施例中测量气体吸收光谱的装置的方法，包括如下步骤：1)飞秒激光器1输出的宽带飞秒激光进入滤光片2选择波长，再经第一平面反射镜3反射后进入法布里-珀罗共振腔4选择模式；2)选择波长和模式后的飞秒激光入射并穿过样品池6，从样品池6透射出的携带气体吸收信息的飞秒激光经过第一凸透镜7和第二凸透镜8进行扩束，扩束后的飞秒激光经第二平面反射镜9进入柱形透镜10被整形为椭圆光束，然后进入玻璃板11，在玻璃板11内多次反射，输出携带气体信息的的光阵列，再经光栅12，在两个正交方向上对光束进行分光；3)分光后的飞秒激光经曲面反射镜13反射后进入电荷耦合器件14成像为二维点阵列，并将其转换成相应的电信号后输入至电脑15处理分析气体的吸收特性。所述玻璃板11的入射面除入射窗口区域镀增透膜(AR)外，均镀反射率为100％的高反膜，出射面镀反射率为95％-98％的高反膜。本实施例中的飞秒激光器1是德国Menlosystem公司生产的商用化锁模激光器。所述样品池6是石英玻璃制做的，它的入射及出射窗口均为布儒斯特角窗口。所述第一平面反镜3、第二平面反射镜9和曲面反射镜13均为镀银反射镜。所述法布里-珀罗共振腔4和高压电源16均为山西太原宇光公司生产。电荷耦合器件14由Thorlabs公司生产。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量气体吸收光谱的装置，其特征在于：包括飞秒激光器(1)、滤光片(2)、第一平面反射镜(3)、法布里‑珀罗共振腔(4)、压电陶瓷(5)、样品池(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)、第二平面反射镜(9)、柱形透镜(10)、玻璃板(11)、光栅(12)、曲面反射镜(13)、电荷耦合器件(14)、电脑(15)和高压电源(16)；所述滤光片(2)和第一平面反射镜(3)依次设在飞秒激光器(1)的出射光路上；所述法布里‑珀罗共振腔(4)、样品池(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)和第二平面反射镜(9)依次设在第一平面反射镜(3)的反射光路上，所述压电陶瓷(5)设在法布里‑珀罗共振腔(4)的一侧面上，压电陶瓷(5)通过同轴电缆线和高压电源(16)连接；所述柱形透镜(10)、玻璃板(11)和光栅(12)依次设在第二平面反射镜(9)的反射光路上，所述玻璃板(11)相对于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射镜(13)设在光栅(12)的反射光路上，所述电荷耦合器件(14)设在曲面反射镜(13)的反射光路上，所述电荷耦合器件(14)的信号输出端与电脑(15)的信号输入端过数据采集线连接。

【技术特征摘要】
1.一种测量气体吸收光谱的装置，其特征在于：包括飞秒激光器(1)、滤光片(2)、第一平面反射镜(3)、法布里-珀罗共振腔(4)、压电陶瓷(5)、样品池(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)、第二平面反射镜(9)、柱形透镜(10)、玻璃板(11)、光栅(12)、曲面反射镜(13)、电荷耦合器件(14)、电脑(15)和高压电源(16)；所述滤光片(2)和第一平面反射镜(3)依次设在飞秒激光器(1)的出射光路上；所述法布里-珀罗共振腔(4)、样品池(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)和第二平面反射镜(9)依次设在第一平面反射镜(3)的反射光路上，所述压电陶瓷(5)设在法布里-珀罗共振腔(4)的一侧面上，压电陶瓷(5)通过同轴电缆线和高压电源(16)连接；所述柱形透镜(10)、玻璃板(11)和光栅(12)依次设在第二平面反射镜(9)的反射光路上，所述玻璃板(11)相对于其入射光路成布儒斯特角；所述曲面反射镜(13)设在光栅(12)的反射光路上，所述电荷耦合器件(14)设在曲面反射镜(13)的反射光路上，所述电荷耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：元晋鹏，张文学，汪丽蓉，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14