一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，包含近红外固体拉曼激光器、聚焦准直系统、装载待测气体的气体吸收池、光电探测器、信号采集放大器、微处理器和显示器。其主要特征在于：所述的近红外固体拉曼激光器为通过激光晶体或键合晶体、掺杂光纤等产生1.03μm至1.06μm波长附近的激光振荡并通过拉曼频移晶体产生1.16至1.20μm附近的激光输出。待测气体为氧化亚氮(N2O)，通过光电探测器进行光电信号转换，电信号放大并采集、微处理器控制界面完成对N2O气体浓度信号的处理及数据解析。本发明专利技术装置利用近红外固体激光技术和探测器技术，其发射激光源、光电探测器等元器件成本低，具有紧凑方便，综合性能优异、能够适用于高寒极地等自然环境。于高寒极地等自然环境。于高寒极地等自然环境。

【技术实现步骤摘要】
一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置


[0001]本专利技术涉及大气环境科学与激光光谱
，特别是一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球工业化不断地发展，各种化石燃料(煤、石油和天然气)的大量开发和使用带来了日益严峻的环境和大气污染问题。工业革命以来，人类活动导致的温室气体排放对全球生态系统产生重要影响，是导致全球变暖的最主要原因。值得注意的是，N2O浓度的增加已成为人们关注的主要问题之一。作为温室气体，氧化亚氮的吸热能力要强于二氧化碳。虽然目前环境中氧化亚氮的浓度远远低于二氧化碳浓度，但是其温室效应潜能却是CO2的310倍。由于氮肥和动物粪便等农业实践增加了土壤自身所含自然生长细菌释放的氧化亚氮；另一方面，化石燃料燃烧，使其在大气中的浓度在急剧上升。此外，因雨水径流导致的土壤污染迁移到其他地区的氧化亚氮浓度。据全球温室气体浓度数据，近些年全球大气中N2O的增长梯度值为0.99ppb；所以精确测量大气中的N2O对评估地球气候的人为影响非常重要。
[0003]现今，激光光谱检测方法逐步地完善，CRDS技术是一种新兴的光学系统方法，其主要原理是利用光能在光腔中的衰荡时间来检测目标气体。在气体检测领域，采用中远红外频段量子级联激光器(Quantum CascadeLaser，CRDS)由于其固有的特点和优势，是很多气体检测应用场景的理想光源。虽然QCL的技术优势已被科研人员和用户逐渐认识到，但是半导体芯片、器件和系统存在许多技术瓶颈，价格昂贵也是其不容忽视的一个问题，减缓了该技术的大量应用产业化进程。
[0004]对于特定气体的检测，波长更需要精确的调节以匹配其吸收线，也称为分子“指纹”。目前，常见的N2O较强的吸收线在中红外波段，由于N2O气体的探测光源大多需要采用中红外量子级联激光器(QCL)较难获得，并且探测器件价格昂贵。因此，精细激光光谱技术对激光光源和激光探测器件提出了越来越多的新的技术要求。因此，开创N2O在近红外光区域的吸收线，采用光腔衰荡光谱技术(CRDS)技术研究N2O的吸收光谱及探测技术成为新的趋势和解决方案。
[0005]目前，氧化亚氮的检测装置主要由价格高昂、制造复杂的量子级联激光器和中红外光电探测器等元器件组成及制造。由于量子级联激光器和中红外光电探测器的制造技术复杂，受限于半导体制造的严苛要求和工序复杂，达不到广泛的应用要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种成本较低，综合性能优异、紧凑简便、能够适用高寒环境实现原位现场检测的基于近红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置。
[0007]一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，包含近红外固体拉曼激光器、聚焦准直系统、装载待测气体的气体吸收池、光电探测器、信号采集放大器、微处理器和显示器；
其特征在于：所述的固体拉曼激光器为通过激光增益介质产生1.03μm至1.06μm波长的激光振荡并通过拉曼频移晶体或激光自拉曼激光晶体产生1.16至1.20μm的激光输出。
[0008]优选地，所述近红外固体拉曼激光器的光学谐振腔内同时放置激光增益介质和激光拉曼晶体；光学谐振腔腔内产生的基频光通过激光拉曼变频技术获得新波段激光从某一端谐振腔镜输出，新波段为1.16至1.20μm的激光。
[0009]优选地，所述近红外固体拉曼激光器的激光增益介质为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG、Yb:YVO4、Yb:YLF任一晶体或多种晶体通过键合技术获得的复合激光晶体或是掺Nd或Yb离子的激光光纤。
[0010]优选地，所述近红外固体拉曼激光器的光学谐振腔为直腔、V型折叠谐振腔或Z型折叠谐振腔，其腔镜为平面镜或平凹镜；其泵浦源采用半导体激光端泵或侧泵，包括一个或多个半导体激光器。
[0011]优选地，所述拉曼变频晶体为固体拉曼介质或固体拉曼介质掺Nd或Yb离子的自拉曼激光晶体；该自拉曼激光晶体在所述光学谐振腔内发生的非线性光学过程为拉曼频移效应产生1.16
‑
1.20μm的激光。
[0012]优选地，所述拉曼变频晶体为钒酸钇、硝酸钡、钨酸钆钾或钨酸钇钾。
[0013]优选地，所述近红外固体拉曼激光器的光学谐振腔内包含电光调Q装置、声光调Q装置、被动调Q元件和可饱和吸收体调制元件，以产生纳秒(ns)、皮秒(ps)、飞秒(fs)级的脉冲激光；或不插入调制元件，以得到连续波的近红外固体拉曼激光器。
[0014]优选地，所述气体吸收池是基于光腔衰荡光谱技术设计。
[0015]优选地，所述光电探测器为近红外光电探测器，以硅基、锗基以及InGaAs光电探测器或采用光电倍增管或光子计数器。
[0016]优选地，采集的光电信号输出到锁相放大电路进行解调，数据采集卡将采集的信号输入计算机处理获得待测气体氧化亚氮的浓度。
[0017]本专利技术装置利于近红外固体激光技术和探测器技术，其发射激光源、光电探测器等元器件成本低，无需气相色谱仪等大型设备；具有紧凑方便，综合性能优异、能够适用于高寒极地等应用环境。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的主要组成单元及结构示意图；
[0019]图2为本专利技术中近红外固体拉曼激光器结构1设计示意图；
[0020]图3为本专利技术中近红外固体拉曼激光器结构2设计示意图；
[0021]图4为本专利技术中近红外固体拉曼激光器结构3设计示意图；
[0022]图5为本专利技术中近红外固体拉曼激光器结构4设计示意图；
[0023]图6为本专利技术中近红外固体拉曼激光器结构5设计示意图。
[0024]其中，1：近红外固体拉曼激光器；2：准直聚焦系统；3：气体吸收池；4：光电探测器；5：信号采集放大器；6：微处理器；7：显示器。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明，但不限制于此。
[0026]迄今为止，未见报道利用固体拉曼近红外激光实现对温室气体N2O的测量。固体拉曼激光器具有结构小型化紧凑、效率高、输出光束质量好、覆盖重要波段、功率稳定性较高和价格低等实用化的优点。这些独特的优势使其在生物医学、海洋军事、环境监测等领域具有非常好的应用前景。本专利技术通过合理地设计光学谐振腔结构，选择合适的腔镜膜系和激光增益介质、拉曼频移介质，优化激光性能，使其满足温室气体N2O测量的要求。通过本专利技术思路设计的基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，综合性能优异，具有灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力强等优点；特别适用于高寒湿地、极地长寒等生态环境领域。本专利技术的基于固体拉曼近红外激光的氧化亚氮监测装置将成为N2O的吸收光谱及探测的高效可行的技术路径之一。
[0027]为克服当前氧化亚氮的检测装置的应用局限性，本专利技术提出了以下技术方案：一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，包含近红外固体拉曼激光器、用于装载待测气体的气体吸收池、光电探测器、用于信号采集放大器、微处理器和显示器；所述的固体拉曼激光器为通过激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，包含近红外固体拉曼激光器、聚焦准直系统、装载待测气体的气体吸收池、光电探测器、信号采集放大器、微处理器和显示器；其特征在于：所述的固体拉曼激光器为通过激光增益介质产生1.03μm至1.06μm波长的激光振荡并通过拉曼频移晶体或激光自拉曼激光晶体产生1.16至1.20μm的激光输出。2.如权利要求1所述的一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述近红外固体拉曼激光器的光学谐振腔内同时放置激光增益介质和激光拉曼晶体；光学谐振腔腔内产生的基频光通过激光拉曼变频技术获得新波段激光从某一端谐振腔镜输出，新波段为1.16至1.20μm的激光。3.如权利要求1所述的一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述近红外固体拉曼激光器的激光增益介质为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG、Yb:YVO4、Yb:YLF任一晶体或多种晶体通过键合技术获得的复合激光晶体或是掺Nd或Yb离子的激光光纤。4.如权利要求1所述的一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述近红外固体拉曼激光器的光学谐振腔为直腔、V型折叠谐振腔或Z型折叠谐振腔，其腔镜为平面镜或平凹镜；其泵浦源采用半导体激光端泵或侧泵，包括一个或多个半导体激光器。5.如权利要求1所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠礼，邵迎，邵文华，庄凤江，邓奇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：