本发明专利技术提供了一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法，所述装置包括：激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块。同时本发明专利技术公布了光谱气体的检测方法，利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器分别锁于两个对应频率的光梳，并结合差频技术获得可调谐的中红外连续光源；将所述的中红外光源产生的连续激光射入含有待测气体的光声池中，输出的声波信号经微音器探测后转化为电信号，经傅里叶变换后呈现出高分辨率的光声光谱。本发明专利技术的优点是无需复杂的控制程序即可以实现连续激光器的快速、精准的频率锁定和调谐，相较于传统光谱分析法，灵敏度高，检测时间短，适用于混合气体中多种成分的检测。成分的检测。成分的检测。
【技术实现步骤摘要】
一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法
[0001]本专利技术涉及气体检测
，具体涉及的是高灵敏度红外光谱测量与光声光谱检测技术。
技术介绍
[0002]气体吸收光谱技术作为光谱学应用的一个重要分支，正朝着高分辨率、高精度、高灵敏度的方向发展。该技术基于朗伯比尔定律，已实现了对百种气体的定性及定量分析，并且可以对气体的温度、压力、流速等参量进行快速地非接触式测量。由于红外探测器对空气中的水蒸气、二氧化碳等均有感应，其灵敏度低且交叉敏感，不利于特定波段的气体吸收峰测量，所以气体吸收光谱技术对测量的分辨率、精度和灵敏度提出了更高的要求。
[0003]目前实现气体吸收光谱测量的技术主要有以下几种。
[0004]1）可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）。调谐连续激光器的波长（或频率）并记录不同频率透过吸收池的透射光强，即可获取高分辨率的吸收光谱，其分辨率依赖于连续激光的调谐步长。通常连续激光器的最小调谐步长在0.1
‑
1GHz量级（以中心波长1550 nm，光频率192THz的激光器为例，对应的波长调谐步长为1
‑
10 pm）。此外，快速大范围的调谐激光器输出波长（或频率），会出现跳模现象，即激光器同时输出多个波长的光，或输出光的波长出现跳变。这些都限制了TDLAS的测量精度和光谱分辨能力。此外，该技术采用逐点调谐方式，其测量速度极慢。
[0005]2）基于光学频率梳的双光梳多外差光谱技术（即DCS）。该技术是对两台重复频率有微小差异的光梳进行光外差探测（其中一台携带样品吸收信息），对探测信号进行处理即可反映分子的吸收光谱。该技术中，光频梳的重复频率一般是百兆赫兹以上，所以可以对低频段的背景噪声进行抑制，而且可以快速且同时获取吸收谱和相位谱。但是DCS对光梳的锁定技术以及两个光梳的相干程度要求很高，且无法分辨低于光梳重频的光谱信息。
[0006]3）基于气体分子窄带吸收特性的差分吸收光谱技术（即DOAS）。该技术可以在几公里长的光程上利用样品对光的差分吸收实现物质浓度测量。同时测量多种气体，因此得到的是痕量气体的总吸收，但是该技术仅限于所测波段的窄吸收谱线的气体分子，另外其监测体系也会受到环境中水汽的影响。
[0007]4）基于红外宽谱光源的光声光谱技术（PAS）。该技术使用红外宽谱光源射入光声池中，而密闭在池中的气体分子吸收到特定频率的入射光后由基态跃迁至激发态并产生热能，周期性的温度变换以同周期的压力波动，即声波形式释放。该声波可通过安装在光声池中的微音器接收。该技术系统结构简单，光谱范围可自由选择，适用于多类气体检测。但分辨率方面优势不足，难以探测吸收谱线较近的气体吸收光谱。
[0008]因此，目前的气体吸收光谱测量技术在分辨率、灵敏度或者波段选择性等方面均存在问题。上述光声光谱技术作为一种理想的无背景噪声信号技术，透射光强的大小可直接由探测到的声波信号强弱反映，与传统光谱分析法相比，它不受光反射和散射的影响。在
此基础上，可以使用可调谐连续光源替代红外宽谱光源，实现高分辨率、高灵敏度以及良好选择性的红外吸收光谱探测。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的是针对目前的吸收光谱测量技术的不足之处，提供一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法。
[0010]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术提供了一种激光光声光谱气体检测装置，其包括激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块，所述激光光源模块包括中红外可调谐连续光源，所述光声探测模块包括斩波器、光声池和微音器，所述信号采集处理模块包括分光镜、中红外探测器、锁相放大器和数据采集卡。
[0011]作为优选方案，所述中红外可调谐连续光源的输出与光声池的光源入射口相对，所述斩波器设于中红外光源与光声池之间，用于对光源进行周期性的强度调制，所述斩波器的控制器与数据采集卡电连接，所述中红外探测器与和数据采集卡电连接，所述锁相放大器与微音器电连接，所述数据采集卡与锁相放大器电连接。
[0012]作为优选方案，所述中红外可调谐连续光源包括近红外可调谐连续激光器、近红外光梳、声光移频器、分束器、合束器以及光电探测器，所述分束器的输入与近红外可调谐连续激光器光路连接，所述分束器的输出与声光移频器的输入和合束器的输入光路连接，所述合束器的输入与近红外光梳光路连接，所述合束器的输出与光电探测器的输入光路连接，所述光电探测器的输出与声光移频器电路连接，所述中红外可调谐连续光源还包括沿光路方向依次设置的高反镜、二向色镜、滤波片。
[0013]作为优选方案，所述二向色镜和滤波片之间设有非线性差频晶体。
[0014]另一方面，本专利技术提供了一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其包括如下步骤：利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器分别锁于两个对应频率的光梳，并结合非线性差频效应获得可调谐的中红外连续光源；将将所述的中红外光源产生的连续激光射入含有待测气体的光声池中，输出的声波信号经微音器探测后转为电信号，经傅里叶变换后呈现出高分辨率的光声光谱。
[0015]作为优选方案，所述声光移频锁频技术是将一个近红外可调谐连续激光一部分注入带有光学频率偏移效应的声光移频器，剩余部分与同波段光梳拍频，产生的拍频信号作为声光移频器的输入电信号。
[0016]作为优选方案，所述非线性差频效应是将两束近红外连续光同步通过非线性差频晶体，获得对应频率的中红外激光。
[0017]作为优选方案，所述近红外可调谐连续激光器的频率为。
[0018]作为优选方案，所述拍频信号的频率为，所述声光调制器的特定驱动频率为。
[0019]作为优选方案，所述光学频率偏移效应是指当时，声光移频器对注入的
连续光产生声光频移效应，获得频率为的输出光，即连续光的频率或是锁于光梳的某一根梳齿上，或是产生频率啁啾。
[0020]作为优选方案，所述的光声光谱检测技术，是将经过强度调制的单色光射入光声池中的样品，用微音器探测样品吸收光能产生的声波信号并转化为电信号；该电信号经过放大后被采集，可获得对应的光声光谱。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：（1）本专利技术提出的基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测装置及方法，利用声光移频锁频技术，实现了连续光源的快速、精准的频率锁定和调谐，同时又具备了光声光谱技术的无背景噪声干扰等优势。因此，该方法针对各气体吸收峰之间交叉敏感等问题，可以给出一个同时具备高分辨率、高灵敏度以及良好选择性等优点的吸收谱探测方案。
[0022]（2）本专利技术中的声光移频锁频技术不依赖于实施例中使用的连续激光器，它对任何在AOFS光谱范围内可调谐的连续波激光器都适用。与激光光声光谱气体检测方法相结合，本系统在电网安全维护方面可以实现油中气体的实时检测，也为大气监测、航空尾气检测等方面提供了新方案。
附图说明
[0023]图1为声光移频锁频工本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括激光光源模块、光声探测模块、信号采集处理模块，所述激光光源模块包括中红外可调谐连续光源(17)，所述光声探测模块包括斩波器(20)、光声池(21)和微音器(22)，所述信号采集处理模块包括分光镜(18)、中红外探测器(19)、锁相放大器(23)和数据采集卡(24)。2.如权利要求1所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述中红外可调谐连续光源(17)的输出与光声池(21)的光源入射口相对，所述斩波器(20)设于中红外光源(17)与光声池(21)之间，用于对光源进行周期性的强度调制，所述斩波器(20)的控制器与数据采集卡(24)电路连接，所述中红外探测器(19)与和数据采集卡(24)电路连接，所述锁相放大器(23)与微音器(22)电路连接，所述数据采集卡(24)与锁相放大器(23)电路连接。3.如权利要求1所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述中红外可调谐连续光源(17)包括近红外可调谐连续激光器(3)和(9)、近红外光梳(1)和(7)、声光移频器(6)和(12)、分束器(4)和(10)、合束器(2)和(8)以及光电探测器(5)和(11)，所述分束器(4)或(10)的输入与近红外可调谐连续激光器(3)或(9)光路连接，所述分束器(4)或(10)的输出与声光移频器(6)或(12)的输入和合束器(2)或(8)的输入光路连接，所述合束器(2)或(8)的输入与近红外光梳(1)或(7)光路连接，所述合束器(2)或(8)的输出与光电探测器(5)或(11)的输入光路连接，所述光电探测器(5)或(11)的输出与声光移频器(6)或(12)电路连接，所述中红外可调谐连续光源(17)还包括沿光路方向依次设置的高反镜(13)、二向色镜(14)、滤波片(16)。4.如权利要求3所述的激光光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述二向色镜(14)和滤波片(16)之间设有非线性差频晶体(15)。5.一种基于声光移频锁频技术的激光光声光谱气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：利用声光移频锁频，将两个频率不等的近红外可调谐连续激光器(3)和(9)分别锁于两个对应频率...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，任心仪，刘睿，丁杰，闫明，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院华东师范大学，
类型：发明
国别省市：
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