一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪和分析方法技术

一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪和分析方法，分析仪包括激光器和依次设于同一光轴上的凹面球形反射镜、内标气室、第一空芯光纤适配器、空芯光纤、第二空芯光纤适配器、第一聚焦透镜、二向色镜、高通滤波镜、第二聚焦透镜、光谱仪和CCD；且第二空芯光纤适配器和二向色镜之间设有第一可调光阑；二向色镜和第二聚焦透镜之间设有第二可调光阑；第二空芯光纤适配器还与中压泵系统通过输气管道、气体过滤器连接。本发明专利技术可降低气体检出限，缩短系统响应时间，降低光路调节难度与检测结果波动性，并提高系统稳定性。提高系统稳定性。提高系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪和分析方法


[0001]本专利技术属于气体分析
，具体涉及一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪和分析方法。

技术介绍

[0002]拉曼光谱是一种新兴的“分子指纹”图谱技术，具有选择性高、免标定、不接触/不破坏/不消耗样品、无需组分分离等优势，且可以利用单一波长激光同时检测稀有气体除外的几乎所有气体，在多组分气体分析领域具有广阔的应用前景。然而，气体拉曼效应极弱，需要通过相应的技术手段来提高拉曼信号强度，以达到实际应用要求的检出限。
[0003]微结构空芯光纤如空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤等具有低传输损耗、宽传输带、低色散等特性，在高效引导激光的同时可作为微型气室，极大延长了激光
‑
气体的有效作用路径长度并提高了空间拉曼散射光子的收集效率，且气体需求量极小，一般为微升，是国内外气体拉曼光谱增强方法研究的热点。
[0004]传统的光纤增强拉曼光谱技术对气体的检出限在ppm量级，虽然延长空芯光纤长度可实现更低的检出限，但系统响应时间，即气体进/出空芯光纤的时间随长度增加呈平方倍地提高，这限制了其在特定应用中痕量气体的即时检测与分析。另外，传统的光纤增强拉曼光谱技术采用的空间滤波系统结构复杂，对光路对准和实验人员的调节技术要求高，且成本较高；此外，传统的光纤增强拉曼光谱技术的检测结果受光路微小变动、仪器性能波动、空芯光纤性能退化等因素影响较大。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪和分析方法，可降低气体检出限，缩短系统响应时间，降低光路调节难度与检测结果波动性，并提高系统稳定性。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案。
[0007]一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，包括激光器和依次设于同一光轴上的凹面球形反射镜、内标气室、第一空芯光纤适配器、空芯光纤、第二空芯光纤适配器、第一聚焦透镜、二向色镜、高通滤波镜、第二聚焦透镜、光谱仪和CCD；
[0008]且第二空芯光纤适配器和二向色镜之间设有第一可调光阑；
[0009]二向色镜和第二聚焦透镜之间设有第二可调光阑；
[0010]第二空芯光纤适配器还与中压泵系统通过输气管道、气体过滤器连接。
[0011]本专利技术进一步包括以下优选方案：
[0012]优选地，所述激光器为单纵模、窄线宽、连续波激光器，用于激发气体的自发拉曼信号，其工作波长可为可见光
‑
近红外波段的任一波长；激光线宽<0.00001nm；激光器的M2因子<1.5。
[0013]优选地，二向色镜为45
°
高通滤波镜，用于分离激光与气体拉曼散射光，同时过滤
气体瑞利散射光，其对瑞利散射光的反射率不低于98％，对拉曼散射光的透过率不低于93％；且二向色镜的镜面与激光入射方向呈45
°
。
[0014]优选地，第一聚焦透镜为消色差透镜，用于将激光耦合进入空芯光纤的纤芯，同时将空芯光纤纤芯发射的背向气体拉曼散射光准直；
[0015]第一聚焦透镜安装在三轴可调微位移平台上，通过精细调节透镜的空间位置使焦点处的激光光斑耦合进入空芯光纤的纤芯，并通过实时监测空芯光纤末端输出的激光功率大小、远场光斑形状来判断耦合情况；
[0016]第二聚焦透镜为消色差透镜，用于将气体拉曼散射光耦合进光谱仪的狭缝。
[0017]优选地，第一聚焦透镜的焦距f为：
[0018][0019]λ、D、D
MFD
分别为激光波长、激光在聚焦透镜处的光斑大小、空芯光纤的模场直径。
[0020]优选地，第一可调光阑和第二可调光阑，用于调节光阑的通光孔径大小进行气体拉曼散射光的空间最优滤波；
[0021]第一可调光阑和第二可调光阑通过位置调整确定最优滤波的光阑孔径，其位置调整约束条件为：
[0022]第一可调光阑位于二向色镜和第二空芯光纤适配器之间且沿光轴放置；
[0023]第二可调光阑位于二向色镜和第二聚焦透镜之间且沿光轴放置。
[0024]优选地，第二空芯光纤适配器和第一空芯光纤适配器，包括适配器本体、光学窗口、光学法兰盘、螺钉、光纤夹具、密封圈、压力表、进/出气口，用于空芯光纤的固定、安装并保证适配器整体的气密性，同时实现激光
‑
空芯光纤的耦合，气体拉曼散射光的收集和气体进/出；
[0025]所述第二空芯光纤适配器的进/出气口通过输气管道连接中压泵系统，通过压力驱动的方式将待测气体持续泵入空芯光纤，待纤芯内部建立稳定的压力梯度时关闭第二空芯光纤适配器和第一空芯光纤适配器的进/出气口，并通过压力表实时监测空芯光纤纤芯内的气体平衡时间。
[0026]优选地，空芯光纤包括空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤，用于引导激光以及为激光
‑
气体的相互作用，气体拉曼散射光的产生提供场所，其传输带宽涵盖可见光
‑
近红外波段；纤芯直径在微米量级；
[0027]空芯光纤纤芯周围的空气孔均被封闭，以保证实验过程中纤芯的气体压力始终大于周围空气孔内的气体压力。
[0028]优选地，所述内标气室包括气室本体、沿光轴两端的2个光学窗口、2个光学法兰盘、螺钉、密封圈、压力表、进/出气口，用于气体拉曼光谱的定量分析；
[0029]所述2个光学窗口所在平面与激光传输方向垂直，且内标气室内部充满高纯单一标准气体，即内标气体，内标气体种类不同于待测气体。
[0030]优选地，凹面球形反射镜，用于将空芯光纤末端输出且穿过第一空芯光纤适配器和内标气室的激光和气体拉曼散射光重新耦合进入空芯光纤的纤芯，并最终被CCD探测；
[0031]凹面球形反射镜的曲率r等于镜面中心到空芯光纤末端的距离d；
[0032]凹面球形反射镜的镜面对激光及气体拉曼散射光的反射率不低于99.5％。
[0033]优选地，高通滤波镜，用于过滤空间中杂散的激光和沿光轴背向传输的气体瑞利散射光，其对气体瑞利散射光的反射率不低于98％，对气体拉曼散射光的透过率不低于93％；
[0034]高通滤波镜的镜面与激光传输方向呈0
°
。
[0035]优选地，光谱仪，用于将不同波长的气体拉曼散射光分开，使其能够被CCD的不同探测单元记录；
[0036]光谱仪的狭缝宽度W
slit
为：
[0037]W
slit
＝f2d
fiber
/f1。
[0038]其中，f1为第一聚焦透镜的焦距；
[0039]f2为第二聚焦透镜的焦距；
[0040]d
fiber
为空芯光纤的纤芯直径。
[0041]优选地，CCD，用于探测和记录气体拉曼散射光，并将其转换为电信号输出；
[0042]中压泵系统，用于将气体泵入空芯光纤；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于，包括激光器和依次设于同一光轴上的凹面球形反射镜、内标气室、第一空芯光纤适配器、空芯光纤、第二空芯光纤适配器、第一聚焦透镜、二向色镜、高通滤波镜、第二聚焦透镜、光谱仪和CCD；且第二空芯光纤适配器和二向色镜之间设有第一可调光阑；二向色镜和第二聚焦透镜之间设有第二可调光阑；第二空芯光纤适配器还与中压泵系统通过输气管道、气体过滤器连接。2.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：激光器为单纵模、窄线宽、连续波激光器，用于激发气体的自发拉曼信号，其工作波长可为可见光
‑
近红外波段的任一波长；激光线宽<0.00001nm；激光器的M2因子<1.5。3.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：二向色镜为45
°
高通滤波镜，用于分离激光与气体拉曼散射光，同时过滤气体瑞利散射光，其对瑞利散射光的反射率不低于98％，对拉曼散射光的透过率不低于93％；且二向色镜的镜面与激光入射方向呈45
°
。4.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：第一聚焦透镜为消色差透镜，用于将激光耦合进入空芯光纤的纤芯，同时将空芯光纤纤芯发射的背向气体拉曼散射光准直；第一聚焦透镜安装在三轴可调微位移平台上，通过精细调节透镜的空间位置使焦点处的激光光斑耦合进入空芯光纤的纤芯，并通过实时监测空芯光纤末端输出的激光功率大小、远场光斑形状来判断耦合情况；第二聚焦透镜为消色差透镜，用于将气体拉曼散射光耦合进光谱仪的狭缝；第一聚焦透镜的焦距f为：λ、D、D
MFD
分别为激光波长、激光在聚焦透镜处的光斑大小、空芯光纤的模场直径。5.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：第一可调光阑和第二可调光阑，用于调节光阑的通光孔径大小进行气体拉曼散射光的空间最优滤波；第一可调光阑和第二可调光阑通过位置调整确定最优滤波的光阑孔径，其位置调整约束条件为：第一可调光阑位于二向色镜和第二空芯光纤适配器之间且沿光轴放置；第二可调光阑位于二向色镜和第二聚焦透镜之间且沿光轴放置。6.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：第二空芯光纤适配器和第一空芯光纤适配器，包括适配器本体、光学窗口、光学法兰盘、螺钉、光纤夹具、密封圈、压力表、进/出气口，用于空芯光纤的固定、安装并保证适配器整体的气密性，同时实现激光
‑
空芯光纤的耦合，气体拉曼散射光的收集和气体进/出；所述第二空芯光纤适配器的进/出气口通过输气管道连接中压泵系统，通过压力驱动的方式将待测气体持续泵入空芯光纤，待纤芯内部建立稳定的压力梯度时关闭第二空芯光纤适配器和第一空芯光纤适配器进/出气口，并通过压力表实时监测空芯光纤纤芯内的气体平衡时间。
7.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：空芯光纤包括空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤，用于引导激光以及为激光
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气体的相互作用，气体拉曼散射光的产生提供场所，其传输带宽涵盖可见光
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近红外波段；纤芯直径在微米量级；空芯光纤纤芯周围的空气孔均被封闭，以保证实验过程中纤芯的气体压力始终大于周围空气孔内的气体压力。8.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：所述内标气室包括气室本体、沿光轴两端的2个光学窗口、2个光学法兰盘、螺钉、密封圈、压力表、进/出气口，用于气体拉曼光谱的定量分析；所述2个光学窗口所在平面与激光传输方向垂直，且内标气室内部充满高纯单一标准气体，即内标气体，内标气体种类不同于待测气体。9.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：凹面球形反射镜，用于将空芯光纤末端输出且穿过内标气室的激光和气体拉曼散射光重新耦合进入空芯光纤的纤芯，并最终被CCD探测；凹面球形反射镜的曲率r等于镜面中心到空芯光纤末端的距离d；凹面球形反射镜的镜面对激光及气体拉曼散射光的反射率不低于99.5％。10.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的拉曼光谱气体分析仪，其特征在于：高通滤波镜，用于过滤空间中杂散的激光和沿光轴背向传输的气体瑞利散射光，其对气体瑞利散射光的反射率不低于98％，对气体拉曼散射光的透过率不低于93％；高通滤波镜的镜面与激光传输方向呈0
°
。11.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建新，陈伟根，王品一，万福，张知先，宋睿敏，王子懿，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：