本發(fā)明屬于氣體分析領(lǐng)域，更具體地，涉及一種v型密集多循環(huán)折疊多反腔及氣體檢測(cè)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、微量氣體檢測(cè)在電力能源、醫(yī)療衛(wèi)生、食品制造與環(huán)境安全、工業(yè)生產(chǎn)與過程控制等諸多領(lǐng)域具有非常重要的作用。拉曼光譜技術(shù)具有非侵入性、免標(biāo)定、選擇性好、準(zhǔn)確度高、單一波長激光同時(shí)檢測(cè)混合多組分氣體的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，氣體拉曼效應(yīng)弱，導(dǎo)致氣體拉曼光譜的檢出限高，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2、受吸收光譜技術(shù)的啟發(fā)，國內(nèi)外研究人員逐漸開始采用多次反射腔(以下稱“多反腔”)增強(qiáng)技術(shù)，通過提高激光與待測(cè)氣體的作用路徑長度，來增強(qiáng)氣體的拉曼散射信號(hào)。目前，較為普遍使用的多反腔有傳統(tǒng)herriott型(反射光斑在腔鏡上形成一個(gè)閉環(huán)的圓形/橢圓形圖案)和密集型(反射光斑很多，幾乎填充整個(gè)腔鏡)。

3、其中，傳統(tǒng)herriott型多反腔對(duì)激光的反射次數(shù)較少，腔鏡反射面的利用率較低，其對(duì)氣體拉曼散射信號(hào)的增強(qiáng)效果有限?，F(xiàn)有的密集型多反腔又分為線型(兩鏡結(jié)構(gòu))和z型(四鏡結(jié)構(gòu))兩種，前者受限于反射理論，其腔鏡曲率半徑較小、物理腔長一般較短，激光隨反射次數(shù)的增多衰減較大，不利于拉曼信號(hào)的激發(fā)；后者設(shè)計(jì)參數(shù)多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)與實(shí)施比較困難。

4、現(xiàn)有技術(shù)文件1(cn?108535191b)公開了一種基于菱形腔鏡的激光拉曼氣體檢測(cè)裝置，氣體室左右側(cè)外光路上分別同軸依次放置反射鏡、三棱鏡、高壓氦氖管，兩個(gè)高壓氦氖管輸出的激光分別通過各自外光路上三棱鏡到垂直光路的反射鏡上，并經(jīng)過三棱鏡和高壓氦氖管從氣體室一側(cè)窗口垂直入射至氣體室中菱形腔的四個(gè)凹面反射鏡之間反復(fù)折射，但該現(xiàn)有技術(shù)對(duì)激光的反射次數(shù)有限，導(dǎo)致氣體拉曼信號(hào)增強(qiáng)效果幅度不大；且激光在腔內(nèi)的反射雜亂無序，光束之間相互干涉容易導(dǎo)致拉曼光譜背景噪聲較大，降低氣體拉曼信噪比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種v型密集多循環(huán)折疊多反腔及氣體檢測(cè)系統(tǒng)和方法，由此解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的多反腔對(duì)氣體拉曼信號(hào)的增強(qiáng)有限、氣體檢測(cè)靈敏度低、多反腔系統(tǒng)光路調(diào)節(jié)與實(shí)施難度大等問題。

2、本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

3、本發(fā)明的第一方面公開了一種v型密集多循環(huán)折疊多反腔，包括第一球形凹面反射鏡、第二球形凹面反射鏡和第三球形凹面反射鏡，所述反射鏡一面為磨砂平面，另一面為球形凹面反射面；反射鏡的反射面鍍有寬帶高反射膜，其中第一球形凹面反射鏡的幾何中心開有圓孔，用于激光進(jìn)入及氣體拉曼散射光射出，所述圓孔的直徑大于激光光束直徑；

4、所述球形凹面反射鏡在幾何平面上呈“v”型放置，其第一反射鏡和第二反射鏡鏡片中心連線與第二反射鏡和第三反射鏡鏡片中心連線的夾角在15°

5、～30°，構(gòu)成v型密集多循環(huán)折疊多反腔。

6、優(yōu)選地，所述第一球形凹面反射鏡、第二球形凹面反射鏡和第三球形凹面反射鏡的球形凹面反射面均貼有吸收掩膜板，為第一吸收掩膜板、第二吸收掩膜板和第三吸收掩膜板，所述掩膜板由吸光材料制成，用于吸收腔內(nèi)的雜散激光、減少腔內(nèi)的干涉效應(yīng)。

7、優(yōu)選地，所述第一吸收掩膜板、第二吸收掩膜板和第三吸收掩膜板是在完成多反腔的調(diào)試后緊貼腔鏡反射面放置，且其上在各反射點(diǎn)均有開孔，不影響激光與氣體拉曼散射光在鏡面的正常反射。

8、本發(fā)明的第二方面公開了一種基于v型密集多循環(huán)折疊多反腔的拉曼光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括所述的一種v型密集多循環(huán)折疊多反腔、第一激光器、第一半波片、第二激光器、第二半波片、偏振分束器、二向分色鏡、聚焦透鏡、平面反射鏡、高通濾鏡組、聚焦透鏡、收集光纖束、光譜儀和ccd；

9、所述第一激光器、第二激光器均為連續(xù)單模單頻激光器，用于提供光源激發(fā)氣體的自發(fā)拉曼散射信號(hào)；

10、所述第一半波片、第二半波片，用于調(diào)節(jié)激光器輸出激光的偏振方向；

11、所述二向分色鏡，用于分離激光與氣體的拉曼散射光，所述二向分色鏡的鏡面與激光入射方向成45°角；

12、所述聚焦透鏡，用于將激光聚焦后耦合進(jìn)入多反腔，同時(shí)將多反腔射出的氣體拉曼散射光準(zhǔn)直；

13、所述平面反射鏡設(shè)置于第一球形凹面反射鏡和聚焦透鏡中間，用于將多反腔射出的激光及氣體拉曼散射光重新耦合進(jìn)入腔內(nèi)；

14、所述高通濾鏡組、聚焦透鏡、收集光纖束、光譜儀和ccd依次設(shè)置于多反腔射出的氣體拉曼散射光準(zhǔn)直線上。

15、優(yōu)選地，所述第一激光器、第二激光器的工作波長在可見光區(qū)域內(nèi)，其輸出功率＞500mw；激光線寬＜1mhz；激光器的m2因子<1.5；激光偏振比>100:1。

16、優(yōu)選地，在使用時(shí)，所述第一激光器和第二激光器的波長、線寬參數(shù)需保持一致；第一激光器和第二激光器輸出的激光分別經(jīng)第一半波片和第二半波片調(diào)節(jié)為p偏振光與s偏振光，且兩束光分別經(jīng)偏振分束器透射、反射后合并為一束光。

17、優(yōu)選地，所述平面反射鏡對(duì)激光及氣體拉曼散射光所在波長的反射率不低于0.995。

18、優(yōu)選地，所述高通濾鏡組包括1片或多片高通濾波鏡，其截止波長稍大于激光波長，用于濾除收集光路中的激光和瑞利散射光，以提高氣體拉曼光譜的信噪比。

19、優(yōu)選地，所述收集光纖束包括數(shù)根參數(shù)相同的單模光纖，且各單模光纖對(duì)氣體拉曼散射光的傳輸損耗不高于50db/km，收集光纖束面向聚焦透鏡的收集側(cè)，單模光纖呈圓形排列，其面積完全覆蓋聚焦透鏡聚焦后的光斑大??；其面向光譜儀狹縫的發(fā)散側(cè)，單模光纖呈線形排列，其長度及寬度完全匹配光譜儀狹縫的高度及寬度。

20、本發(fā)明的第三方面公開了一種基于v型密集多循環(huán)折疊多反腔的氣體檢測(cè)系統(tǒng)的方法，基于所述的一種基于v型密集多循環(huán)折疊多反腔的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括以下步驟：

21、步驟1：第一激光器發(fā)射的激光經(jīng)第一半波片調(diào)節(jié)為p偏振光；同時(shí)，第二激光器3發(fā)射的激光經(jīng)第二半波片調(diào)節(jié)為s偏振光；

22、步驟2：上述的p偏振光與s偏振光分別經(jīng)偏振分束器透射、反射后合并為一束光，其后依次經(jīng)二向分色鏡反射、第一聚焦透鏡聚焦后，經(jīng)第一球形凹面反射鏡中心的開孔進(jìn)入多次反射腔；

23、步驟3：調(diào)節(jié)第一球形凹面反射鏡、第二球形凹面反射鏡、第三球形凹面反射鏡的放置位置和偏轉(zhuǎn)角度，使激光在其間沿不同路徑多次反射，并在各反射鏡上形成密集光斑圖案；此時(shí)，緊貼第一球形凹面反射鏡、第二球形凹面反射鏡和第三球形凹面反射鏡的球形凹面反射面分別放置第一吸收掩膜板、第二吸收掩膜板和第三吸收掩膜板，吸收掩膜板在各反射點(diǎn)均有開孔，不影響激光與氣體拉曼散射光在鏡面的正常反射；最終，激光將從第一球形凹面反射鏡中心的開孔沿與入射時(shí)不同的路徑射出；

24、步驟4：調(diào)節(jié)平面反射鏡的放置位置和偏轉(zhuǎn)角度，將上述出射的激光沿原光路重新耦合進(jìn)入多反腔，實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的第二次循環(huán)；

25、步驟5：激光與氣體在多次反射腔內(nèi)相互作用，產(chǎn)生的背向拉曼散射光lfb經(jīng)聚焦透鏡準(zhǔn)直、二向分色鏡和高通濾鏡組過濾掉激光及瑞利散射光、第二聚焦透鏡聚焦后進(jìn)入收集光纖束并傳輸至光譜儀的狹縫；氣體拉曼散射光經(jīng)光譜儀衍射分光后被ccd探測(cè)；

26、步驟6：多次反射腔內(nèi)產(chǎn)生的前向拉曼散射光lff從第一球形凹面反射鏡中心的開孔射出，經(jīng)平面反射鏡反射后重新耦合進(jìn)入多反腔，與前述背向拉曼散射光lfb沿相同光路被收集；

27、步驟7：步驟4中經(jīng)平面反射鏡反射后重新耦合進(jìn)入多反腔的激光，再次與多反腔內(nèi)的氣體相互作用，產(chǎn)生的前向氣體拉曼散射光lbf與前述背向散射光lfb沿相同光路被收集，產(chǎn)生的背向散射光lbb再次經(jīng)平面反射鏡耦合后重新進(jìn)入多反腔，與前述背向散射光lfb沿相同光路被收集。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少包括：

29、本發(fā)明所提供的一種v型密集多循環(huán)折疊多反腔及其拉曼光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其采用了三塊球形凹面反射鏡呈v型放置，實(shí)現(xiàn)的密集型反射光斑幾乎可以填充整個(gè)腔鏡反射面，可實(shí)現(xiàn)的激光反射次數(shù)多、即激光與氣體的有效作用路徑長度大，激發(fā)的氣體拉曼信號(hào)強(qiáng)度高；采用了吸收掩膜板緊貼腔鏡反射面放置，有效吸收了腔內(nèi)的雜散激光和熒光，同時(shí)避免了激光光束間的相互干涉，有益于提高氣體拉曼光譜的信噪比；由于v型折疊多反腔的物理腔長僅需滿足單臂腔長小于4倍的腔鏡曲率半徑，實(shí)際使用時(shí)腔長可根據(jù)需要自主調(diào)節(jié)；由于采用了后向反射鏡，實(shí)現(xiàn)了激光在腔內(nèi)的第二次循環(huán)，且將出射的氣體拉曼散射光重新耦合進(jìn)行收集，提高了氣體拉曼散射光的收集效率，導(dǎo)致氣體檢出限低(可達(dá)亞ppm量級(jí))；系統(tǒng)響應(yīng)快(秒量級(jí))、光路結(jié)構(gòu)簡單且調(diào)節(jié)容易、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、檢測(cè)結(jié)果魯棒性好等。