一种微弱气体浓度检测装置和方法与流程

1.本发明涉及气体浓度检测。更具体地，涉及一种微弱气体浓度检测装置和方法。


背景技术：

2.工业生产、资源勘探、医疗诊断、环境监控、社会安全、科学研究等多个领域对高精度高灵敏度的痕量物质探测和浓度检测方法和装置提出了迫切的需求。以高品质光学共振腔为基础，结合激光光束单色性好和光学腔体等效光程长的特点发展起来的光腔强化吸收包含增强吸收光谱技术(ceas)和激光衰荡光谱技术(crds)等方案，具有高分辨率、高灵敏度、自校准等一系列优点。通过高精细度光学腔、待检测气体特征吸收波长、入射激光之间的光谱共振，将等效吸收光程大幅延展至数百米甚至几十公里，从而成为高灵敏度原位检测的有力手段。
3.基于光学共振腔的光谱测量仪器可以选择宽带光源或者窄带激光器作为光谱吸收激光光源。由于光学腔体的高精细度特性，宽带光源光谱测量方式虽然具有多气体吸收光谱覆盖能力，能够通过良好设计同时实现多种气体浓度的同步监测，但是有效能量利用率低，而且必须引入光栅光谱仪或者分光光度计等结构，大幅提升了仪器的复杂性和使用维护成本。而以分步反馈半导体激光器(dfb-ld)或者外腔半导体激光器(ecdl)作为光源的连续波腔强化吸收光谱技术，虽然结构简单，但是光源发射光谱范围窄，一般只在mhz量级，即使通过温度调节、腔长调节或者电流调节等手段，也只能实现单一种类气体浓度的测量。如果需要同时对两种或更多种气体浓度进行监测，就需要搭建多个光学腔体分别与相应光源进行匹配，不仅大幅提升了仪器成本、体积与复杂程度，也极大地限制了检测仪器的适用范围，尤其是需要了解待测物体中含有多种气体相互影响机制和浓度演化进程的场合。
4.因此，需要提供一种微弱气体浓度检测装置和方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种微弱气体浓度检测装置和方法。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.一种微弱气体浓度检测装置，包括：激光光源模块、光束准直整形隔离模块、光束指向合束模块、光束耦合光腔检测模块和光束接收转换模块，
8.所述激光光源模块，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；
9.所述光束准直整形隔离模块，用于对所述激光光束进行准直整形，使出射光斑呈现圆形高斯分布的光斑；
10.所述光束指向合束模块，用于调节所述激光光束传播方向，并使所述激光光束沿同一光路传输形成光束合束；
11.所述光束接收转换模块，用于对从所述光学腔体出射的激光进行偏振分离，并将经偏振分离的激光光束所包含的光信号转变为电信号；
12.所述光束耦合光腔检测模块包括光束耦合会聚单元和光学腔体；
13.所述光束耦合会聚单元用于将光束指向合束模块输出的激光光束与所述的光学腔体进行模式匹配；
14.所述光学腔体用于实现待测气体对所述激光光束的增强吸收。
15.优选地，所述激光光源模块，包括产生第一激光光束的第一激光光源模块和产生第二激光光束的第二激光光源模块。
16.优选地，每个所述激光光源模块包括可调谐激光器，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；
17.激光驱动单元，用于对所述的可调谐激光器进行驱动控制；和
18.温度控制单元，用于对所述的可调谐激光器进行温度控制。
19.优选地，所述光束准直整形隔离模块，包括第一光束准直整形隔离模块和第二光束准直整形隔离模块。
20.优选地，每个所述光束准直整形隔离模块包括，
21.光束准直单元，用于对所述可调谐激光器的输出光束进行准直；
22.光束整形单元，用于对所述准直后的可调谐激光器输出光束进行整形处理，形成一个圆形高斯分布的光斑；和
23.光束隔离单元，用于隔离反射光和杂散光对所述可调谐激光器运转的影响。
24.优选地，所述光束指向合束模块包括光束偏振调节单元、光束指向调节单元和光束偏振合束单元；
25.所述光束偏振调节单元包括第一光束偏振调节单元和第二光束偏振调节单元，用于使第一激光光束和第二激光光束相互正交；
26.所述光束指向调节单元用于调节第一激光光束的传播方向；
27.所述光束偏振合束单元用于将经过所述的光束偏振调节单元的两束激光束进行组合。
28.优选地，所述光束接收转换模块包括光束偏振分离单元和光束接收转换单元，
29.所述光束偏振分离单元和所述光束偏振合束单元相对应，用于分离出光学腔体输出的激光中不同的偏振分量；
30.所述光束接收转换单元包括第一光束接收转换单元和第二光束接收转换单元，用于将经过偏振分离后的第一激光光束和第二激光光束所包含的光信号转变为电信号。
31.优选地，还包括数据处理和系统控制模块，用于对采集得到的测试数据进行存储、分析处理和传输，并对整个系统进行综合控制。
32.优选地，所述装置还包括数据显示功能，用于显示所述装置测量得到的待测气体浓度、所述激光光源的输出功率、工作温度和所述测量装置的工作温度、湿度和光学腔体内部气体压强。
33.一种微弱气体浓度检测方法，步骤包括，
34.激光光源模块发射与待测气体吸收峰值重合的激光；
35.光束准直整形隔离模块，对所述激光光源模块出射的激光进行准直整形以使得所述激光的出射光斑呈现圆形高斯分布；
36.所述出射光斑经过光束指向合束模块进行偏振控制和偏振合束后实现沿同一光路传输；
37.所述合束后两个波长激光光束组入射至同一高精细度光学腔体，经过多次往返传输后从光学腔体出射；
38.出射激光光束经过光束接收转换模块进行偏振分离并将光信号转变为电信号。
39.本发明的有益效果如下：
40.本发明可以应用在需要对两种甚至更多种微弱气体浓度进行同步测量的场合，通过偏振合束结合光谱合束方式，实现单一光学腔体的复用，减少了所使用元器件数量，不仅降低了测量仪器的成本、尺寸与复杂程度，而且提升了仪器的可靠性。
41.本发明具有检测速度快、检测精度高以及多种气体同步检测的优点，实现对待测对象中多种物质的同时同步检测，有利于正确分析待测对象的演变规律与各组分之间同步变化的相互关联特性。
42.本发明具有结构简单的优点，可以应用在各种固定或者移动式微弱气体浓度检测场合。
附图说明
43.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
44.图1示出本发明微弱气体浓度检测装置结构示意图。
45.附图说明：100第一激光光源模块101第一可调谐激光器102第一激光驱动单元103第一温度控制单元200第二激光光源模块201第二可调谐激光器202第二激光驱动单元203第二温度控制单元300第一光束准直整形隔离模块301第一光束准直单元302第一光束整形单元303第一光束隔离单元400第二光束准直整形隔离模块401第二光束准直单元402第二光束整形单元403第二光束隔离单元500光束指向合束模块501第一光束偏振调节单元502第二光束偏振调节单元503光束指向调节单元504光束偏振合束单元600光束耦合光腔检测模块601光束耦合会聚单元602光学腔体700光束接收转换模块701第一光束偏振分离单元702第一光束接收转换单元703第二光束接收转换单元800数据处理与系统控制模块
具体实施方式
46.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
47.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的描述均是为了区分两个相同名称非相同实体或者非相同参量，可见“第一”和“第二”均只是为了表述的方便，不应该理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
48.如图1所示，本发明的一个实施例提供一种微弱气体浓度检测装置，包括：激光光源模块、光束准直整形隔离模块、光束指向合束模块、光束耦合光腔检测模块和光束接收转换模块，
49.所述激光光源模块，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；
50.所述光束准直整形隔离模块，用于对所述激光光束进行准直整形，使出射光斑呈现圆形高斯分布的光斑；
51.所述光束指向合束模块，用于调节所述激光光束传播方向，并使所述激光光束沿
同一光路传输形成光束合束；
52.所述光束接收转换模块，用于对从所述光学腔体出射的激光进行偏振分离，并将经偏振分离的激光光束所包含的光信号转变为电信号；
53.所述光束耦合光腔检测模块包括光束耦合会聚单元和光学腔体；
54.所述光束耦合会聚单元用于将光束指向合束模块输出的激光光束与所述的光学腔体进行模式匹配；
55.所述光学腔体用于实现待测气体对所述激光光束的增强吸收。
56.具体的，所述的光束耦合会聚单元通过会聚处理，实现经所述的光束指向合束模块输出的双波长激光光束与所述的光学腔体之间的模式匹配；所述的光学腔体由用于光束反射的多块光学反射组件组成。
57.根据不同的设计，反射组件由一个以上的光学反射元件组成；所述的光学反射元件不局限于高反射率的镜片，还包含实现光路折转反射的棱镜、光栅、微结构表面等；激光在多个光学反射组件之间多程反射，能够增加有效吸收光程，从而提高气体浓度的检测精度；
58.本发明实施例结合偏振合束与光谱合束技术，在单个光学腔内实现双组分痕量气体浓度检测的仪器制造方法和装置，能够在单个光学腔内实现双组分痕量气体浓度的同步在线检测，能够实现单一光学腔体的复用，减少了所使用元器件数量，不仅降低了测量仪器的成本、尺寸与复杂程度，而且提升了仪器的可靠性。
59.在一种可选的实施例中，所述激光光源模块，包括产生第一激光光束的第一激光光源模块和产生第二激光光束的第二激光光源模块。
60.具体的，激光光源模块出射的激光的波长范围包括紫外、可见、近红外、中红外、远红外等波段，根据待测气体的特征吸收波长选择。
61.在一种可选的实施例中，每个所述激光光源模块包括可调谐激光器，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；
62.激光驱动单元，用于对所述的可调谐激光器进行驱动控制；和
63.温度控制单元，用于对所述的可调谐激光器进行温度控制。
64.具体的，所述的可调谐激光器可以是分布反馈半导体激光器、外腔半导体激光器、光谱限制的染料激光器或者固体、气体激光器等；对于具体激光器发射波长的选择需根据不同待测气体的吸收谱线进行；所述激光光源模块工作特性由所述激光驱动单元和所述温度控制单元决定，用于调节所述激光光源模块的输出功率和光谱特性。所述的激光驱动单元用于对所述的可调谐激光器进行驱动控制；所述的温度控制单元用于对所述的可调谐激光器进行温度控制，使得所述可调谐激光器工作于特定的条件。
65.在一种可选的实施例中，所述光束准直整形隔离模块，包括第一光束准直整形隔离模块和第二光束准直整形隔离模块。
66.在一种可选的实施例中，每个所述光束准直整形隔离模块包括，
67.光束准直单元，用于对所述可调谐激光器的输出光束进行准直；
68.光束整形单元，用于对所述准直后的可调谐激光器输出光束进行整形处理，形成一个圆形高斯分布的光斑；和
69.光束隔离单元，用于隔离反射光和杂散光对所述可调谐激光器运转的影响。
70.具体的，所述第一光束准直整形隔离模块和第一激光光源模块对应连接，第二光束准直整形隔离模块和第二激光光源模块对应连接，光束准直单元对可调谐激光器的输出光束进行准直；所述的光束整形单元对准直后的可调谐激光器输出光束进行整形处理，使其形成一个圆形高斯分布的光斑；所述的光束隔离单元用于防止反射光和杂散光对可调谐激光器运转的影响。
71.在一种可选的实施例中，所述光束指向合束模块包括光束偏振调节单元、光束指向调节单元和光束偏振合束单元；
72.所述光束偏振调节单元包括第一光束偏振调节单元和第二光束偏振调节单元，用于使第一激光光束和第二激光光束相互正交；
73.所述光束指向调节单元用于调节第一激光光束的传播方向；
74.所述光束偏振合束单元用于将经过所述的光束偏振调节单元的两束激光束进行组合。
75.具体的，所述第一光束偏振调节单元与第一光束准直整形隔离模块对应连接，第二光束偏振调节单元与第二光束准直整形隔离模块对应连接，通过第一光束偏振调节单元、第二光束偏振调节单元分别用于改变所述的第一激光光束、第二激光光束的光波振荡偏振面，使二者相互正交；光束指向调节单元用于调节第一激光光束的传播方向；所述的光束偏振合束单元用于将经过所述的光束偏振调节单元的两束激光束进行组合；所述的光束偏振合束单元可以是偏振棱镜、薄膜偏振片或者其他的偏振光学元件。
76.在一种可选的实施例中，所述光束接收转换模块包括光束偏振分离单元和光束接收转换单元，
77.所述光束偏振分离单元和所述光束偏振合束单元相对应，用于分离出光学腔体输出的激光中不同的偏振分量；
78.所述光束接收转换单元包括第一光束接收转换单元和第二光束接收转换单元，用于将经过偏振分离后的第一激光光束和第二激光光束所包含的光信号转变为电信号。
79.具体的，所述光束偏振分离单元用于实现对光学腔体输出激光中不同偏振分量的分离。所述的光束偏振分离单元和所述的光束偏振合束单元相对应，可以是偏振棱镜、薄膜偏振片或者其他的偏振光学元件。所述第一光束接收转换单元、第二光束接收转换单元分别用于将经过偏振分离后的第一激光光束和第二激光光束所包含的光信号转变为电信号。光束接收转换单元包括但不限于光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体等光电转换器件。
80.在一种可选的实施例中，还包括数据处理和系统控制模块，用于对采集得到的测试数据进行存储、分析处理和传输，并对整个系统进行综合控制。
81.具体的，所述数据处理和系统控制模块一方面对采集的检测数据进行存储与分析处理并且分析计算得到两种待测气体浓度；另一方面也可将检测数据、仪器运行参数、实时状态参数等信息按照规定的协议通过外部接口对外传输。系统控制内容包括装置的检测流程控制、运行参数设置、运行参数获取、运行日志生成、运行保护及报警等。
82.在一种可选的实施例中，所述装置还包括数据显示功能，用于显示所述装置测量得到的待测气体浓度、所述激光光源的输出功率、工作温度和所述测量装置的工作温度、湿度和光学腔体内部气体压强。
83.本发明的第二个实施例提供一种微弱气体浓度检测方法，步骤包括，
84.激光光源模块发射与待测气体吸收峰值重合的激光；
85.光束准直整形隔离模块，对所述激光光源模块出射的激光进行准直整形以使得所述激光的出射光斑呈现圆形高斯分布；
86.所述出射光斑经过光束指向合束模块进行偏振控制和偏振合束后实现沿同一光路传输；
87.所述合束后两个波长激光光束组入射至同一高精细度光学腔体，经过多次往返传输后从光学腔体出射；
88.出射激光光束经过光束接收转换模块进行偏振分离并将光信号转变为电信号。
89.具体的，所述合束后两个波长激光光束在高精细度光学腔体内的多次往返传输，导致腔体内两种待测气体分别实现对所述激光光束的大幅吸收强化。
90.在本发明一个具体的实施例中，提供一种基于可调谐激光光源，结合偏振合束与光谱合束技术，在单个光学腔内实现双组分痕量气体浓度检测的仪器制造方法和装置。包括：
91.第一激光光源模块、第二激光光源模块，第一光束准直整形隔离模块、第二光束准直整形隔离模块，光束指向合束模块(含第一光束偏振调节单元、第二光束偏振调节单元)，光束耦合光腔检测模块，光束接收转换模块(含第一光束接收转换单元、第二光束接收转换单元)与数据处理与系统控制模块。
92.所述光学腔体由两片或者更多片高反射率反射镜组成，位于所述光束耦合光腔检测模块内部。
93.所述第一光束接收转换单元和所述第二光束接收转换单元分别与所述数据处理与系统控制模块电连接，所述数据处理与系统控制模块分别与所述第一激光光源模块和所述第二激光光源模块连接。
94.所述第一激光光源模块在在第一激光驱动单元和第一温度控制单元作用下，发射出位于第一待探测气体吸收峰处的激光光束，经所述第一光束准直整形隔离模块后进入到光束指向合束模块。在光束指向合束模块中，该激光束经过第一光束偏振调节单元实现激光偏振面为水平方向，然后透过所述偏振合束单元出射进入所述光束耦合光腔检测模块。经过所述光束耦合会聚单元后进入所述光学腔体，实现对第一待探测气体的增强吸收。所述光学腔体出射光束在光束偏振分离单元作用下，水平偏振输出入射至第一光束接收转换单元。利用该束激光测量得到第一待探测气体浓度数据在所述数据处理与系统控制模块控制下输出。
95.所述第二激光光源模块在第二激光驱动单元和第二温度控制单元作用下，发射出位于第二待探测气体吸收峰处的激光光束，经所述第二光束准直整形隔离模块后进入到光束指向合束模块。在光束指向合束模块中，该激光束经过第二光束偏振调节单元实现激光偏振面为竖直方向，然后经所述光束指向调节单元、偏振合束单元反射进入所述光束耦合光腔检测模块。经过所述光束耦合会聚单元后进入所述光学腔体，实现对第二待探测气体的增强吸收。所述光学腔体出射光束在光束偏振分离单元作用下，竖直偏振输出入射至第二光束接收转换单元。利用该束激光测量得到第二待探测气体浓度数据在所述数据处理与系统控制模块控制下输出。
96.本发明实施例结合激光光源偏振合束与光谱合束技术的双组分痕量气体浓度检测仪器制造方法和装置，能够在单个光学腔内实现双组分痕量气体浓度的同步在线检测，能够实现单一光学腔体的复用，减少了所使用元器件数量，不仅降低了测量仪器的成本、尺寸与复杂程度，而且提升了仪器的可靠性。
97.在本发明的实施例中，光学腔体可以是由两片腔镜组成的线性腔，也可以是由三片、四片腔镜组成的线性腔或者环形腔。所述腔镜在组成光学腔体的反射表面均镀制在第一待测气体吸收峰波长和第二待测气体吸收峰波长处具有高反射率的高反薄膜，而在另一透射表面均镀制有上述波长的增透薄膜。进一步的，所述第一光束接收转换单元和所述第二光束接收转换单元都具有高响应速率，且光谱响应范围分别覆盖第一待测气体特征吸收波长和第一待测气体特征吸收波长。进一步的，所述第一光束准直整形隔离模块、第二光束准直整形隔离模块和光束指向合束模块中第一光束偏振调节单元、第二光束偏振调节单元、光束指向调节单元、偏振合束单元均镀制有对应待测气体特征吸收波长的增透膜。
98.如图所示，为本发明实施例的结合可调谐激光光源偏振合束与光谱合束技术的双组分痕量气体浓度检测的方法和装置的结构示意图。
99.从图中可以看出，本实施例的测量方法和测量装置，包括第一激光光源模块100、第二激光光源模块200，第一光束准直整形隔离模块300、第二光束准直整形隔离模块400，光束指向合束模块500(含第一光束偏振调节单元501、第二光束偏振调节单元502)，光束耦合光腔检测模块600，光束接收转换模块700(含第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703)与数据处理与系统控制模块800。
100.在本实施例中，所述第一激光光源模块100和第二激光光源模块200可以为分布反馈式半导体激光器、外腔半导体激光器、量子阱激光器、固体激光器、染料激光器等，具有输出光谱范围窄、输出波长可调节(电流控制调节、温度控制调节或色散控制调节)等特点。采用所述激光光源模块可以提供大多数气体可见、红外特征吸收波长，并且可以通过输出线宽控制以提高气体浓度测量的光谱分辨率。
101.所述光束耦合光腔检测模块600中光束耦合会聚单元601目的是实现第一激光光源模块100和第二激光光源模块200发射激光光束模式与光学腔体602本征模式之间的良好匹配，可以采用伽利略光学望远镜或者开普勒光学望远镜结构，在设计时应该尽可能减小像差并且缩短长度。
102.所述光学腔体602由一系列高反射镜片组成高精细度稳定共振腔。镜片反射面镀制针对第一待测气体特征吸收波长和第二待测气体特征吸收波长的高反射薄膜，反射率可高于99.9％、甚至99.999％。光学腔体反射镜片反射率越高，对待测气体浓度测量的灵敏度也越高。镜片透射面镀制针对第一待测气体特征吸收波长和第二待测气体特征吸收波长的增透射薄膜。对于线性谐振光学腔体，在激光束正入射且与腔体未发生谐振的情况下，高反射镜面会阻止激光束进入腔体，并使其沿原途径返回。对于由多片高反射镜片组成的环形光学腔体，上述返回激光束偏离入射方向，因此可以省略光隔离器的使用。
103.所述光束接收转换模块700中，第一光束接收转换单元702和第二光束接收转换单元703采用快速响应的光电转换器件，作用是将从光学腔体出射的辐射转换为电信号，可以是铟镓砷探测器、硅探测器、硒化铅、硫化铅或者是雪崩光电二极管、光电倍增管等转换器件。
104.在所述激光光束正入射进入所述光学腔体602时，所述装置为双组分痕量气体浓度检测的激光衰荡方法和测量装置。以t
01
、t
02
分别代表光学腔内不存在待测气体(腔内真空、充氮气)时分别由第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703接收并由数据处理与系统控制模块计算得到的衰荡时间，以t1、t2分别代表光学腔内存在待测气体时分别由第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703接收并由数据处理与系统控制模块计算得到的衰荡时间。则由朗伯比尔定律计算得到第一待测气体浓度n1和第二待测气体浓度n2分别为，
[0105][0106][0107]
其中，c为光速，σ(λ1)和σ(λ2)分别为第一待测气体和第二待测气体在特征吸收波长处的吸收截面，时间t1、t2、t
01
、t
02
分别为前述测得衰荡时间。
[0108]
在所述激光光束斜入射进入所述光学腔体602或者不采用光开关时，所述装置为双组分痕量气体浓度检测的腔增强吸收方法和测量装置。以i
01
、i
02
分别代表光学腔内不存在待测气体(腔内真空、充氮气)时分别由第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703接收并由数据处理与系统控制模块计算得到的光学腔体出射强度，以i
01
(ν1(、i
02
(ν2)分别代表光学腔内不存在待测气体(腔内真空、充氮气)时分别由第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703接收并由数据处理与系统控制模块计算得到的光学腔体出射强度，以i1(ν1)、i2(ν2)分别代表光学腔内存在第一待测气体和第二待测气体时分别由第一光束接收转换单元702、第二光束接收转换单元703接收并由数据处理与系统控制模块计算得到的光学腔体出射强度，以l1、l2分别代表第一激光光束和第二激光光束在光学腔体内传播总长度，以r1、r2分别代表光学腔体高反射镜片在第一待测气体特征吸收波长和第二待测气体特征吸收波长处的反射率。则由朗伯比尔定律计算得到第一待测气体浓度n1和第二待测气体浓度n2分别为，
[0109][0110][0111]
其中，σ(λ1)和σ(λ2)分别为第一待测气体和第二待测气体在特征吸收波长处的吸收截面。上式中激光强度i
01
(ν)、i1(ν)均在第一探测激光波长与第一待测气体特征吸收波长重合时测得，激光强度i
02
(ν)、i2(ν)均在第二探测激光波长与第二待测气体特征吸收波长重合时测得。
[0112]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发
明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种微弱气体浓度检测装置，其特征在于，包括：激光光源模块、光束准直整形隔离模块、光束指向合束模块、光束耦合光腔检测模块和光束接收转换模块，所述激光光源模块，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；所述光束准直整形隔离模块，用于对所述激光光束进行准直整形，使出射光斑呈现圆形高斯分布的光斑；所述光束指向合束模块，用于调节所述激光光束传播方向，并使所述激光光束沿同一光路传输形成光束合束；所述光束接收转换模块，用于对从所述光学腔体出射的激光进行偏振分离，并将经偏振分离的激光光束所包含的光信号转变为电信号；所述光束耦合光腔检测模块包括光束耦合会聚单元和光学腔体；所述光束耦合会聚单元用于将光束指向合束模块输出的激光光束与所述的光学腔体进行模式匹配；所述光学腔体用于实现待测气体对所述激光光束的增强吸收。2.根据权利要求1所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，所述激光光源模块，包括产生第一激光光束的第一激光光源模块和产生第二激光光束的第二激光光源模块。3.根据权利要求2所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，每个所述激光光源模块包括可调谐激光器，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；激光驱动单元，用于对所述的可调谐激光器进行驱动控制；和温度控制单元，用于对所述的可调谐激光器进行温度控制。4.根据权利要求1所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，所述光束准直整形隔离模块，包括第一光束准直整形隔离模块和第二光束准直整形隔离模块。5.根据权利要求4所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，每个所述光束准直整形隔离模块包括，光束准直单元，用于对所述可调谐激光器的输出光束进行准直；光束整形单元，用于对所述准直后的可调谐激光器输出光束进行整形处理，形成一个圆形高斯分布的光斑；和光束隔离单元，用于隔离反射光和杂散光对所述可调谐激光器运转的影响。6.根据权利要求1所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，所述光束指向合束模块包括光束偏振调节单元、光束指向调节单元和光束偏振合束单元；所述光束偏振调节单元包括第一光束偏振调节单元和第二光束偏振调节单元，用于使第一激光光束和第二激光光束相互正交；所述光束指向调节单元用于调节第一激光光束的传播方向；所述光束偏振合束单元用于将经过所述的光束偏振调节单元的两束激光束进行组合。7.根据权利要求6所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，所述光束接收转换模块包括光束偏振分离单元和光束接收转换单元，所述光束偏振分离单元和所述光束偏振合束单元相对应，用于分离出光学腔体输出的激光中不同的偏振分量；所述光束接收转换单元包括第一光束接收转换单元和第二光束接收转换单元，用于将经过偏振分离后的第一激光光束和第二激光光束所包含的光信号转变为电信号。
8.根据权利要求1所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，还包括数据处理和系统控制模块，用于对采集得到的测试数据进行存储、分析处理和传输，并对整个系统进行综合控制。9.根据权利要求8所述微弱气体浓度检测装置，其特征在于，所述装置还包括数据显示功能，用于显示所述装置测量得到的待测气体浓度、所述激光光源的输出功率、工作温度和所述测量装置的工作温度、湿度和光学腔体内部气体压强。10.一种微弱气体浓度检测方法，其特征在于，步骤包括，激光光源模块发射与待测气体吸收峰值重合的激光；光束准直整形隔离模块，对所述激光光源模块出射的激光进行准直整形以使得所述激光的出射光斑呈现圆形高斯分布；所述出射光斑经过光束指向合束模块进行偏振控制和偏振合束后实现沿同一光路传输；所述合束后两个波长激光光束组入射至同一高精细度光学腔体，经过多次往返传输后从光学腔体出射；出射激光光束经过光束接收转换模块进行偏振分离并将光信号转变为电信号。

技术总结
本发明公开一种微弱气体浓度检测装置和方法，包括：激光光源模块、光束准直整形隔离模块、光束指向合束模块、光束耦合光腔检测模块和光束接收转换模块，激光光源模块，用于产生待测气体吸收峰值的激光光束；光束准直整形隔离模块，用于对所述激光光束进行准直整形，使出射光斑呈现圆形高斯分布的光斑；光束指向合束模块，用于调节所述激光光束传播方向并使所述激光光束沿同一光路传输形成光束合束；光束接收转换模块，用于对从光学腔体出射的激光进行偏振分离并将经偏振分离的激光光束所包含的光信号转变为电信号；光束耦合光腔检测模块包括光束耦合会聚单元和光学腔体，实现对两种甚至更多种微弱气体浓度进行同步测量并实现单一光学腔体的复用。单一光学腔体的复用。单一光学腔体的复用。


技术研发人员：余锦 孙礼朋 毕勇 张硕
受保护的技术使用者：孙礼朋 毕勇 张硕
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/20