探測順磁分子氣體的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及激光傳感領域，具體地涉及利用法拉第旋光原理探測順磁分子氣體的方法和系統。
【背景技術】
[0002]順磁氣體分子是指外層電子軌道含不成對電子的分子，如一氧化氮，二氧化氮，氧氣，羥自由基等分子。對順磁氣體分子的高靈敏度探測，對大氣污染，大氣化學，燃燒動力學，基于呼氣中痕量分子的無創疾病檢測等領域均具有十分重要的意義。這些氣體分子人們用肉眼看不見，只有用儀器特殊的“眼”才能看到。基于化學突光(chemiluminesecence)和電化學(electrochemical)技術的痕量(化學上指物質含量在百萬分之一以下的量或濃度)氣體分析儀，是目前高精度氣體探測市場上最有競爭力的兩類產品。然而化學熒光技術可靠性差，需要臭氧作為反應氣體，存在二次污染，且需要經常校準，儀器性價比低。電化學技術靈敏度較低，響應時間滯后嚴重。而這兩種技術共同的一個最大問題是，信號極易受到樣品氣體中水和二氧化碳分子的干擾，測量結果存疑。
[0003]現有技術中還存在基于法拉第旋光原理的氣體分析技術，其能夠對氣相的順磁分子實現高靈敏度，高選擇性的傳感。該技術主要探測順磁分子在外加磁場下，對入射線偏振光的偏振角度旋轉，來實現對氣體濃度的檢測。其中，偏振旋轉角度與順磁分子的濃度成正比。
[0004]圖1示出了傳統的法拉第光譜技術原理。如圖1所示，當一束線偏振激光的頻率處于分子的吸收譜線頻率時，輸出光的偏振角度?會發生改變，Λ O = An*JiL/X。其中Δ Θ為偏振角度改變值,L為在磁場中的樣品的有效光程，λ為光波長,而Δη為磁場引起的樣品左旋和右旋光的折射率差，這一參數與氣體濃度，磁場強度以及譜線強度相關。當激光通過置于氣體池之后的一個偏振檢偏器(符合Itjut = Iin*sin2 θ定律)時,偏振改變Δ Θ被轉換為光強度改變，通過光電探測以及信號解調，即可得到與氣體分子濃度相關的法拉第光譜信號。傳統法拉第光譜技術使用交變磁場(頻率為fo)調制順磁分子，因此激光的偏振角度也被磁場調制，通過在fo處的鎖相解調技術來獲取被調制的信號。通過施加交變磁場和鎖相解調的方法，可以有效濾除多種噪聲，比如激光源和光電探測器的寬譜噪聲，相干干涉噪聲(吸收光譜分析法的限制瓶頸)，以及抑制非順磁分子(如水，二氧化碳等)產生的光譜干涉信號等。這樣可以有效地提高傳感器的信噪比。因此通過施加磁場調制的法拉第光譜技術，可以比基于分子吸收的光譜技術具有更高的探測靈敏度。
[0005]然而，從實際產品開發和應用的角度來看，上述傳統的單獨調制磁場的法拉第光譜氣體分析技術存在著以下兩個主要缺點:
[0006]1.由于信號解調頻率恰好處于磁線圈的電磁輻射頻率上，而解調電路總會因為電磁屏蔽做得不夠理想，而引入一些磁線圈的電磁輻射。這個電磁干擾信號恰恰與光探測器獲取的信號處于同一頻率。在鎖相解調時，電磁干擾信號會疊加在真實信號上，使其具有非零偏置。這樣，系統的長時間穩定性會由于疊加了一個隨時間緩慢漂移的非零偏置值而變差。
[0007]2.為了讓磁線圈產生足夠強度的交變磁場，磁線圈的匝數一般都較大。這就使得磁線圈的感抗較大，因此磁場的調制頻率被限制在1kHz以內。這就意味著，激光的偏振信號調制頻率也被限制在1kHz以下。而此頻率范圍，恰好是激光器相對強度噪聲(RIN)較大的頻率區間。因此，系統的信噪比和靈敏度，被激光器基帶的高強度噪聲限制無法進一步提聞。
[0008]因此，需要一種具有增強的系統長時間穩定性和/或提高的系統靈敏度的探測氣體的方法和系統。
【發明內容】
[0009]本申請針對傳統的探測順磁分子氣體的技術缺點，提出一種能夠增強系統長時間穩定性和/或提高系統靈敏度的探測氣體的方法和系統。
[0010]在一方面，提供一種探測順磁分子氣體的方法，包括:將第一頻率的交變磁場施加于氣體池中的待測氣體；對第一激光束進行波長調制以產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率；將波長調制的第一激光束轉換成偏振光，將該偏振光入射到氣體池，并且將從氣體池輸出的激光束轉換成強度調制的激光束；通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號；以及解調該電信號，以獲得待測氣體的光譜信息。
[0011]在另一方面，提供一種探測順磁分子氣體的系統，包括:氣體池，其內部充有利用第一頻率的交變磁場調制的待測氣體；第一激光器，其產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束，其中第二頻率高于第一頻率；起偏器，其將波長調制的第一激光束轉換成偏振光，并將該偏振光入射到氣體池；檢偏器，其將從氣體池輸出的激光束轉換成強度調制的激光束；光電探測器，其通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號；以及第一信號解調器，其解調電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
【附圖說明】
[0012]通過下面的結合附圖對本發明進行的詳細說明，可以更全面地理解本發明，其中:
[0013]圖1示出了現有技術的原理圖；
[0014]圖2示出了根據一個實施例實現本發明的系統圖；
[0015]圖3示出了本發明的實施例與現有技術的信號的電頻譜對比圖；
[0016]圖4示出了根據現有技術獲得的信號光譜圖；
[0017]圖5示出了根據本發明的實施例獲得的信號光譜圖；
[0018]圖6示出了根據本發明另一個實施例獲得的信號隨氣體濃度變化的響應圖；
[0019]圖7示出了根據本發明的另一個實施例獲得的系統圖；以及
[0020]圖8示出了根據本發明的實施例的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]現在將對本發明的特定實施例詳細做出參考。在附圖中示出了這些特定實施例的示例。雖然結合這些特定實施例描述本發明，但是應當理解，不預期將本發明限制到描述的實施例。相反地，意圖涵蓋可以被包括在如附加權利要求書所定義的本發明的精神和范圍之內的替換、修改和變化。在下面說明書中，闡述細節以便提供對本發明的更徹底的理解。在沒有某些或所有這些細節的情況下可以實踐本發明。此外，公知的特征可以不被詳細描述以避免不必要地模糊本發明。
[0022]首先參考圖2說明本發明的基本原理。
[0023]如圖2所示，本發明通過對激光器進行高頻調制，通過載波將原來的低頻法拉第信號調制到較高頻率，從而與磁線圈的頻率&區分開來。
[0024]因此，與傳統的法拉第光譜技術相比，本發明的技術不僅對磁場進行頻率為&的調制，也對激光器的波長進行頻率為的調制。因此本發明的技術可以被稱為雙調制法拉第光譜技術。
[0025]下面接合圖3對雙調制法拉第光譜技術的原理進行說明。圖3示出的是對雙調制法拉第光譜技術的信號譜分析。圖3中的a是傳統法拉第光譜技術的信號譜，由于只有交變磁場調制，信號處于低頻fo處；圖3中的b是只有波長調制時的信號譜，因此信號處于波長調制的較高頻率處；圖3中的c是處于波長調制與磁場調制共同作用下的信號譜，混頻后的頻譜具有通信系統調幅信號的特征——以為載波，邊帶信號處于Aiftl處。
[0026]返回來繼續參考圖2，該系統包括一個氣體池，即法拉第腔，其內部充有利用第一頻率fo的交變磁場調制的待測氣體。一激光器產生具有第二頻率的波長調制的第一激光束。如上所述，第二頻率高于第一頻率fo。起偏器將波長調制的第一激光束轉換成線偏振光，并將該偏振光入射到氣體池。氣體池之后是檢偏器,其將從氣體池輸出的偏振被調制的激光束轉換成強度調制的激光束。然后是光電探測器，其通過光電轉換將該強度調制的激光束轉換為電信號。最后通過第一信號解調器來解調電信號以獲得第一待測氣體的光譜信息。
[0027]對于解調方法，根據上述參考圖3的信號譜分析，利用調幅信號解調方法，可對雙調制法拉第技術的信號進行解調。如圖2所示，先將探測器信號通過混頻器，將處于或者其諧波頻率處的信號降至基帶，再通過窄帶鎖相解調提取邊帶信號，過濾寬帶噪聲。由于波長調制的信號特點，二次諧波信號具有與吸收譜類似的對稱譜型，其峰值易于標定信號強度，因此在這里選用二次諧波頻率2f\作為混頻器的參考頻率做下變頻轉換。
[0028]為了穩定激光器的頻率，可以提供穩頻反饋環路。如圖2所示，從檢偏器分出的反常光(e光)可以作為參考路，對激光器的波長鎖定提供反饋回路。當把光束通過氣體池時，預先充入的高濃度參考氣體對激光產生吸收。因為波長調制技術鎖相解調得到的三次諧波信號，在譜線中心具有過零點。