利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法
利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，属于光学领 域。
【背景技术】：
[0002] 光束穿过大气时，大气中的气溶胶粒子吸收光辐射能量，引起光束传输路径上空 气热状态如温度、气压和密度等发生变化。如果入射光束受到周期性调制，空气的局部热状 态就产生周期性的变化，测量单位时间内这种变化随调制入射光的线性波动范围，能够实 时获得待测气溶胶的吸收系数。光热干涉方法就是建立在入射激光辐射能量热转换导致样 品气体折射率改变的基础上实现探测的，不同于一般吸收光谱的是，提高入射光功率能够 提高光热干涉方法的探测灵敏度。由于光热干涉方法测量的是光吸收的热扩散结果，该结 果对气体成分的散射和反射不敏感，因此光热干涉方法在散射和反射共存的介质中的吸收 测量较消光扣除散射获得吸收特性的差分法更为准确。
[0003] 空气温度状态的改变引起光束路径的折射率或者说光程产生微小变化，该变化 量可以通过相位检测的方法得到。光热干涉法通过调制激励激光加热探测激光光路上的 气溶胶粒子实现相位改变。纵观光热干涉法的进展，激励激光对探测激光的作用方式分为 同轴式结构和掠射式结构两类。同轴式结构通常将波长差别较大而不能形成干涉的激励 激光和探测激光放置在同一光路上，在该光路的适当距离处固定一平面反射镜，该反射镜 所选择材料反射激励激光而透过干涉光束，从而实现二者分离。CampilloAJ(1982)等 采用同轴式结构，利用Fabry-Perot干涉仪结构进行了痕量气体的探测，激励激光与干涉 光通过同一分光镜以同轴方式进入Fabry-Perot腔中，在出射端米用滤光片将二者分离， 该方法获得的吸收系数能够达到1〇_5!^量级。LinHB(1985)等采用同轴式结构，将利用 Mach-Zehnder干涉仪结构的痕量气体探测技术引入气溶胶吸收系数探测领域，成功实现了 对硫酸铵气溶胶吸收的原位测量，该结构通过在样品池两侧分别以一定角度放置一个半 反半透镜，从而实现激励激光与探测激光的同轴耦合与分离，实验获得的吸收系数探测灵 敏度达到了lOlT1量级。同轴式结构的优点是空间利用率高，但激励激光对平面反射镜的 热效应所导致的局部形变，对本就非常微弱的吸收系数（1(T6~IO^iT1)的测量带来不利影 响。掠射式结构是将激励激光对探测激光以较小夹角产生作用，夹角大小依据实际设计而 定，越小越有利于加大有效作用距离，OwensMA(1999)等采用掠射式结构，成功通过Jamin 干涉仪对氨气进行了探测。Jamin干涉仪由两个平行Jamin板构成，其间以一定角度放置两 个表层镀金金属板，激励光束经过两金属板反射进出干涉仪，金属板带有小孔，可让探测光 束通过，从而实现激励激光与探测激光的小角度重合，根据吸收特性对氨的测量精度达到 10 1~102ppt。SedlacekAJ(2005)等采用掠射式结构，通过对折返Jamin干涉仪结构进 行了改造，创造性的将角反射器分为前后两部分，并通过压电陶瓷来连接，成功的解决了干 涉仪振动敏感性问题，其通过在角反射器与Jamin板间放置两个小的直角棱镜，使激励激 光与探测光束成1~2°角，当样品长度为5cm时，获得的最低探测灵敏度达到4XlCTm1。 掠射式结构避免了反射镜因激励激光导致的热形变，但有效作用距离往往由于激励激光和 探测激光夹角的存在而受到限制，而夹角继续减小的空间已经很小。
[0004] 根据光热干涉基本原理，在系统其它参数一定的条件下，光热干涉法探测气溶胶 吸收系数的灵敏度与有效作用距离成反比，即有效作用距离越长，该方法的探测灵敏度越 高。无论是同轴式结构还是掠射式结构，截至目前激励激光对探测激光作用均为一次最多 两次，有效作用距离受到严重制约，阻碍了光热干涉方法灵敏度的提高。换一个角度说，在 激励激光对探测激光的夹角已经接近极限的前提下，延长有效作用距离就意味着增大探测 激光的长度。
[0005] 目前已有结构是将探测激光的光程和有效作用距离等同起来，实际上它们是两个 概念。发明人认为：如果激励激光能够在探测激光光路上多次反射，即使探测激光的光程较 短，实现较长的有效作用距离是完全可能的。作为成熟技术，光学长程池的入射光在其中来 回反射，能够显著增大有效光程。对于光热干涉方法来说，激励光源是激光，发散角较小， 无需使用孔径角较大、结构复杂的长程池，赫里奥特池足以满足要求。本发明将赫里奥特池 引入光热干涉，提出了利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法。
【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的是针对光热干涉法在测量气溶胶吸收系数时有效作用距离小的缺 陷，提供一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，通过多次反射延长激励激 光对探测激光作用距离；本发明所阐述的光热干涉法含有三个干涉探测通道，通过上下两 通道获得环境因素对相位基线的影响，利用中间通道与上下两通道的差分方法获得气溶胶 吸收引起的相位变化量，在线测量待测气溶胶的吸收系数，摆脱了环境因素和相位改变量 角度区间的限制，具有设计原理简单、检测灵敏度高等特点。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] 利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：包括有调制的光 纤载波激光、激励激光，光纤载波激光的传输路径上设有光分束器，光纤载波激光的入射光 经光分束器分成三束光，三束光的传输路径上分别依次设置光隔离器、光环形器、光准直 器，所述的三个光准直器位于气溶胶检测池的左端，气溶胶检测池的右端等距离处相应设 有三个平面高反镜，气溶胶样品池中设有赫里奥特池，赫里奥特池的右端设有激励激光入 射孔，激励激光从气溶胶检测池右端外部射入。
[0009] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的气 溶胶检测池采用赫里奥特池，赫里奥特池由两片高反凹面镜组成，两高反凹面镜中心掏空， 以分别放置同轴的光纤准直器和圆形平面反射镜，两高反凹面镜在满足试验条件的前提下 尽量小，赫里奥特池的激励激光入射孔开在圆形平面反射镜一端的高反凹面镜上。
[0010] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光由入射口进入赫里奥特池前先后经过了分束器和光环形器，激励激光在赫里奥特池 内多次反射后由入射口射出，激励激光在多次反射过程中始终对干涉光路产生作用，实现 了激励激光对干涉光路有效作用距离的数量级延长；所述的激励激光在多次反射过程中， 其光束截面始终维持圆形。
[0011] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的赫 里奥特池含在气溶胶检测池内，三个干涉光路检测的是同一气溶胶样品。
[0012] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束一，光束一经分 光片分为光束二和激励激光，光束二进入光功率计，实时测量入射激光的功率起伏，激励激 光经激励激光的光环形器进入赫里奥特池，在赫里奥特池多次反射后，在激励激光入射孔 处射出，出射激光经光环形器和光隔离器后进入光功率计。
[0013] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。
[0014] 一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉方法，其特征在于：所述的光纤 载波激光的入射光经光分束器分成三束光，三束光均在准直器端面产生反射和透射，反射 光沿各自光纤返回，透射光经气溶胶检测池内 的样品区域后由平面高反镜反射原路返回， 穿过气溶胶检测池内的样品区域后再次透过光准直器端面，该透射光和前述光准直器端面 的反射光形成干涉，所述三路干涉光通过各自光环形器后形成干涉光束进入光电探测器， 其中上下两路干涉光束检测相位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大于某一阈值时做 无效处理，该阈值根据实验标定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处于赫里奥特池内， 激励激光在赫里奥特池内反射n次后，再次由入射孔射出，当激励激光对探测激光的单次 有效作用距离为L时，在赫里奥特池内，有效作用距离变为2nL，反射次数n依据入射激光的 直径和能量确定，中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸收激励激光导致 的相位变化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
[0015] 本发明的理论依据是：
[0016] 当光波在大气中传播时，大气气溶胶中的束缚电子将在光波电磁场的作用下发生 受迫振荡，其中一部分能量被气溶胶粒子吸收，导致其温度升高。被加热的气溶胶粒子向周 围空气释放热量，加热周围空气，引起空气折射率的改变。
[0017] 假设激励激光束具有能量L。和截面半径为a。当其通过吸收系数为a、路径长 度为1的样品时，Pabs=P_al(al〈〈l)为样品吸收的功率。该能量将加热样品气体，导致其 温度在St时间内产生AT的温度变化：
[0019] 其中，P表示样品密度，(；为样品恒压热容。如果激励激光经过频率为《的正弦 频率调制并且热传导时间远大于样品的温度在环境温度T附近st= 3i/?，AT可 以写为：
[0021] 根据Gladstone-Dale公式，温度改变量AT与折射率改变量An相关：
[0023] 根据公式⑵和（3)，An可以写为：
[0025] 显然，通过测量空气折射率的改变量，即可以获得气溶胶粒子的吸收系数。利用光 热干涉法测量气溶胶吸收系数就是通过测量空气折射率改变来实现的。当激励激光对探测 激光的作用路径长度固定在1时，
.上述（4)写为：
[0027] 光电探测器输出的干涉信号的电压值表不为
[0028] Vint= {A+Bcos[Ceos?ct+(t) ]} {D+Ecos[ ?ct+(6)
[0029] 而参考信号的电压值可表示为
[0030] Vref=D+Ecos(?ct+<i)〇) (7)
[0031] 式中：A是与干涉仪输入光强、耦合器插入损耗有关的直流项，B与光纤干涉仪输 入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等有关，B=KA，K是干涉仪条纹相干度， K〈l，C为相位调制幅度，为调制信号频率，相位差伞⑴=A<}) + <})Q(t)，A(})为经过 调制的激励激光引起的周期性变化的相位差，<K(t)表示外界环境产生的相位差、初始相 位差以及其它因素产生的相位差。
[0032] V=A+Bcos[Ceos?ct+ <}) (t) ] (8)
[0033] 将⑶式用Bessel函数展开后得：
[0035] 其中的Jk(C)为第一类k阶Bessel函数，该式表明干涉信号包括调制信号的基频 和无穷项高次倍频。这里选用基频和2倍频信号进行相位解调，将（9)式分别乘以cosc^t 和cos2w。1：后，得到：
[0038] 上述信号经以f；/2为频率上限的低通滤波后，所有含《。及其倍频项均被虑去，得
[0039] Si=-BJ! (C)sin⑴ (12)
[0040] S2=-BJ2 (C)cos<i> (t) (13)
[0041] 将（12)、（13)两式分别微分
[0042] S'!=-BJ! (C)cos<}) (t)d<})/dt (14)
[0043] S， 2=BJ2(C)sin<i) (t)d<i)/dt (15)
[0044] 将（12)式X(15)式，（13)式X(14)式，得
[0045] S1S,2=-B2Jt (C)J2 (C)sin2 <}) (t)d<})/dt (16)
[0046] S2Sr ! =B2J: (C)J2 (C)cos2 <i> (t)d<i>/dt (17)
[0047] 再用式（17)-式（16)，得
[0048] S2S，「Sj，fBKOKOdct/dt (18)
[0049] 最后将（18)积分，得
[0050] B2Ji(C)J2 (C) <i> ⑴ (19)
[0051] 通过上述一系列过程，获得相位差巾（t)。该相位差包含了激励激光诱导相位差和 环境噪声相位差，引入多通道技术，能够利用差分方式消除环境噪声相位差。
[0052] 对于现有激光光源来说，普遍具有一定的波长漂移，波长起伏将给干涉仪带来相 位噪声，设干涉仪的长度差为L，则波长变化AX所引起的相位变化A巾'为：
[0054] 对于相同的波长漂移，干涉仪光程差越大，相位噪声越大，二者呈线性关系。若波 长漂移引起的相位噪声值大于光热效应产生的相位起伏值，将无法实现有效的光热干涉测 量，若要求干涉仪相位探测灵敏度达到一定值，必须控制干涉仪的光程差。显然，利用传统 的光热干涉法，单纯增加干涉仪两臂光程差以增大探测区域长度是不可行的。
[0055] 因此引入光学长程池技术，利用多次反射，可在较短的探测区域内实现较长的吸 收光程，通过控制干涉仪光程差将相位噪声维持在很低水平的同时，实现有效作用距离的 大幅增加，有效提高气溶胶吸收系数的探测灵敏度。
[0056] 本发明的有益效果是：
[0057] 本发明利用赫里奥特池，在维持探测激光光程不变的前提下，使得光热干涉法激 励激光对探测激光的有效作用距离延长了至少一个数量级，极大地提高了该方法的检测灵 敏度；三通道设计使得环境因素的影响评估更为合理；相比于传统方法，本发明原理简单， 操作方便，对气溶胶吸收系数的测量拥有更高的检测灵敏度。
[0058] 本发明的优点是：
[0059] 1.通过光纤作为载体，实现了气溶胶吸收系数的原位测量，为光热干涉法的小型 化提供了方便；
[0060] 2.赫里奥特池的引入实现了激励激光对探测激光有效作用距离的数量级延长，提 高了气溶胶吸收系数的检测灵敏度；
[0061] 3.相位改变量的调制解调方式回避了传统干涉方法中转相差点的区间限制，简化 了吸收系数的计算；
[0062] 4.三通道技术的应用使得基线漂移的影响实现了自校验，极大地弱化了环境温度 渐变和平台振动等的影响；
[0063] 5.扣除基线漂移的前提下，本方法是一种零背景信号的测量技术。
【附图说明】：
[0064] 图1为利用赫里奥特池测量气溶胶吸收系数的光热干涉示意图。
[0065] 其中图中标号：1光纤载波激光，2为分束器，3为光隔离器，4为光环形器，5为干 涉光，6为准直器端面，7为赫里奥特池，8为平面高反镜，9为激励激光，10为气溶胶样品池， 11为激励激光的光环形器，12为分光片，13为光束一，S卩光纤激光器的出射激光，14为光束 二，即光纤激光器出射激光的分束光。
[0066] 图2为赫里奥特池内的光线追迹示意图。
[0067] 图3为单个镜面上的光斑分布示意图。
【具体实施方式】：
[0068] 如图1所示，利用赫里奥特池测量气溶胶吸收 的光热干涉装置及方法，包括有光 纤载波激光1，光纤载波激光1的传输光路上设有光分束器2,光纤载波激光1的入射光经 光分束器2分成三束光，三束光的前方传输光路上分别依次设置有光隔离器3、光环形器4 和光准直器。三个光准直器位于气溶胶样品池10的前端，气溶胶样品池10的后端等距离 处设有三个和光准直器端面6平行的平面高反镜8,气溶胶样品池10中设有赫里奥特池7， 三束光分别在准直器端面6存在反射和透射，反射光沿原路返回，透射光经气溶胶样品池 10内的待检测样品区由高反镜8反射后原路返回，穿过气溶胶样品池10内的待检测样品 后再次透过光准直器端面6,该透射光和光准直器端面6的反射光形成干涉光5。所述三路 干涉光5通过光环形器4后形成干涉光束进入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相 位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标 定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处于赫里奥特池7内，激励激光9在赫里奥特池7 内反射n次后，再次由入射孔射出，详见图2。当激励激光对探测激光的单次有效作用距离 为L时，在赫里奥特池7内，有效作用距离变为2nL，反射次数n依据入射激光的直径和能量 确定。中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸收激励激光9导致的相位变 化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
[0069] 激励激光9包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束 13,光束13经分光片12分为光束14和激励激光，光束14进入光功率计，实时测量入射激 光的功率起伏，激励激光9经光环形器11进入赫里奥特池7,在赫里奥特池7多次反射后， 在激励激光入射孔处射出，出射激光经光环形器11和光隔离器后进入光功率计。
[0070] 激励激光9的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。光 路如图3所示。激励激光9对探测光路的有效作用距离受到两个因素的制约：激励激光9 对探测光路的夹角和激励激光在赫里奥特池内的反射次数。激励激光9对探测光路的夹角 大小与赫里奥特池的曲率半径、光准直器端面6的直径及高反镜8的直径有关，协调三者间 的关系，尽量减小激励激光9对探测光路的夹角。激励激光在赫里奥特池内的反射次数由 赫里奥特池两凹面镜的反射率及激励激光的直径共同决定，反射次数的确定需兼顾探测激 光光程的长短、装置的小型化及需要达到的探测灵敏度等因素，反射次数并非越多越好。
[0071] 将赫里奥特池7置于气溶胶样品池10,使得三个干涉光路所测量的样品相同，将 样品本身差异带来的误差降至最低。
[0072] 图2中，其中A出射为激励激光，B出射为探测激光，为描述方便，将探测激光和激 励激光做理想化光线处理。激励激光经反射镜多次反射其光束形成一个圆柱形薄壁，薄壁 厚度为泵浦光直径，探测光束正好处于该圆柱形薄壁中轴位置，对于满足稳定性条件与重 入射条件的赫里奥特池，当斜率与两镜子间距一定的情况下，多次反射次数N为一定值，投 影圆半径r只与入射光斜率有关，通过调节入射光入射角，可使激励激光光斑与探测激光 光斑逐渐接近，达到类似于共线耦合的效果，同时因入射光具有一定的斜率，对于一条光线 来说，激励激光与探测激光具有类似于掠射式结构的效果。赫里奥特池折返次数可达到100 次以上，理论上可将有效作用长度提高1~2个数量级。
[0073] 图3中，中间白色圆斑为探测激光，外围白色圆斑为激励激光，+为入射孔。
[0074] 光热干涉法的噪声主要来源于环境温度渐变和平台振动，其中环境温度渐变是缓 变量，容易通过低频滤波的方式去除，平台振动的频率可能和激励激光频率处于一个频段， 需要通过锁相放大器滤除。
【主权项】
1. 利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：包括有调制的光纤 载波激光、激励激光，光纤载波激光的传输路径上设有光分束器，光纤载波激光的入射光经 光分束器分成三束光，三束光的传输路径上分别依次设置光隔离器、光环形器、光准直器， 所述的三个光准直器位于气溶胶检测池的左端，气溶胶检测池的右端等距离处相应设有三 个平面高反镜，气溶胶样品池中设有赫里奥特池，赫里奥特池的右端设有激励激光入射孔， 激励激光从气溶胶检测池右端外部射入。2. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的赫里奥特池由两片高反凹面镜组成，两高反凹面镜中心掏空，以分别放置同轴的 光纤准直器和圆形平面反射镜，两高反凹面镜在满足试验条件的前提下尽量小，赫里奥特 池的激励激光入射孔开在圆形平面反射镜一端的高反凹面镜上。3. 根据权利要求1或2所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特 征在于：所述的赫里奥特池的激励激光在多次反射过程中，其光束截面始终维持圆形。4. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的赫里奥特池含在气溶胶检测池内，三个干涉光路检测的是同一气溶胶样品。5. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的激励激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束一， 光束一经分光片分为光束二和激励激光，光束二进入光功率计，实时测量入射激光的功率 起伏，激励激光经激励激光的光环形器进入赫里奥特池，在赫里奥特池多次反射后，在激励 激光入射孔处射出，出射激光经光环形器和光隔离器后进入光功率计。6. 根据权利要求1或5所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特 征在于：所述的激励激光的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。7. -种基于权利要求1的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉方法，其特征在 于：所述的光纤载波激光的入射光经光分束器分成三束光，三束光均在准直器端面产生反 射和透射，反射光沿各自光纤返回，透射光经气溶胶检测池内的样品区域后由平面高反镜 反射原路返回，穿过气溶胶检测池内的样品区域后再次透过光准直器端面，该透射光和前 述光准直器端面的反射光形成干涉，所述三路干涉光通过各自光环形器后形成干涉光束进 入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大 于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处 于赫里奥特池内，激励激光在赫里奥特池内反射n次后，再次由入射孔射出，当激励激光对 探测激光的单次有效作用距离为L时，在赫里奥特池内，有效作用距离变为2nL，反射次数n 依据入射激光的直径和能量确定，中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸 收激励激光导致的相位变化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
【专利摘要】本发明公开了一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法，设计三路干涉光，利用上下两路检测环境温度渐变和平台振动引起的相位基线漂移并形成自校正，中间一路的探测激光在赫里奥特池内传输，在探测激光光程不变的前提下，使得激励激光对探测激光的有效作用长度获得了数量级的延长，通过中间一路和上下两路的配合获得激励激光导致的相位变化，实现气溶胶吸收系数的在线检测。本发明利用赫里奥特池对有效作用距离延长使得光热干涉法的探测灵敏度极大提高，所用相位调制解调方法使得相位差结算摆脱了角度区间限制。
【IPC分类】G01N21/45
【公开号】CN104897613
【申请号】CN201510163971
【发明人】李树旺, 邵士勇, 梅海平, 曹振松, 刘强, 饶瑞中
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月8日
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，属于光学领 域。
【背景技术】：
[0002] 光束穿过大气时，大气中的气溶胶粒子吸收光辐射能量，引起光束传输路径上空 气热状态如温度、气压和密度等发生变化。如果入射光束受到周期性调制，空气的局部热状 态就产生周期性的变化，测量单位时间内这种变化随调制入射光的线性波动范围，能够实 时获得待测气溶胶的吸收系数。光热干涉方法就是建立在入射激光辐射能量热转换导致样 品气体折射率改变的基础上实现探测的，不同于一般吸收光谱的是，提高入射光功率能够 提高光热干涉方法的探测灵敏度。由于光热干涉方法测量的是光吸收的热扩散结果，该结 果对气体成分的散射和反射不敏感，因此光热干涉方法在散射和反射共存的介质中的吸收 测量较消光扣除散射获得吸收特性的差分法更为准确。
[0003] 空气温度状态的改变引起光束路径的折射率或者说光程产生微小变化，该变化 量可以通过相位检测的方法得到。光热干涉法通过调制激励激光加热探测激光光路上的 气溶胶粒子实现相位改变。纵观光热干涉法的进展，激励激光对探测激光的作用方式分为 同轴式结构和掠射式结构两类。同轴式结构通常将波长差别较大而不能形成干涉的激励 激光和探测激光放置在同一光路上，在该光路的适当距离处固定一平面反射镜，该反射镜 所选择材料反射激励激光而透过干涉光束，从而实现二者分离。CampilloAJ(1982)等 采用同轴式结构，利用Fabry-Perot干涉仪结构进行了痕量气体的探测，激励激光与干涉 光通过同一分光镜以同轴方式进入Fabry-Perot腔中，在出射端米用滤光片将二者分离， 该方法获得的吸收系数能够达到1〇_5!^量级。LinHB(1985)等采用同轴式结构，将利用 Mach-Zehnder干涉仪结构的痕量气体探测技术引入气溶胶吸收系数探测领域，成功实现了 对硫酸铵气溶胶吸收的原位测量，该结构通过在样品池两侧分别以一定角度放置一个半 反半透镜，从而实现激励激光与探测激光的同轴耦合与分离，实验获得的吸收系数探测灵 敏度达到了lOlT1量级。同轴式结构的优点是空间利用率高，但激励激光对平面反射镜的 热效应所导致的局部形变，对本就非常微弱的吸收系数（1(T6~IO^iT1)的测量带来不利影 响。掠射式结构是将激励激光对探测激光以较小夹角产生作用，夹角大小依据实际设计而 定，越小越有利于加大有效作用距离，OwensMA(1999)等采用掠射式结构，成功通过Jamin 干涉仪对氨气进行了探测。Jamin干涉仪由两个平行Jamin板构成，其间以一定角度放置两 个表层镀金金属板，激励光束经过两金属板反射进出干涉仪，金属板带有小孔，可让探测光 束通过，从而实现激励激光与探测激光的小角度重合，根据吸收特性对氨的测量精度达到 10 1~102ppt。SedlacekAJ(2005)等采用掠射式结构，通过对折返Jamin干涉仪结构进 行了改造，创造性的将角反射器分为前后两部分，并通过压电陶瓷来连接，成功的解决了干 涉仪振动敏感性问题，其通过在角反射器与Jamin板间放置两个小的直角棱镜，使激励激 光与探测光束成1~2°角，当样品长度为5cm时，获得的最低探测灵敏度达到4XlCTm1。 掠射式结构避免了反射镜因激励激光导致的热形变，但有效作用距离往往由于激励激光和 探测激光夹角的存在而受到限制，而夹角继续减小的空间已经很小。
[0004] 根据光热干涉基本原理，在系统其它参数一定的条件下，光热干涉法探测气溶胶 吸收系数的灵敏度与有效作用距离成反比，即有效作用距离越长，该方法的探测灵敏度越 高。无论是同轴式结构还是掠射式结构，截至目前激励激光对探测激光作用均为一次最多 两次，有效作用距离受到严重制约，阻碍了光热干涉方法灵敏度的提高。换一个角度说，在 激励激光对探测激光的夹角已经接近极限的前提下，延长有效作用距离就意味着增大探测 激光的长度。
[0005] 目前已有结构是将探测激光的光程和有效作用距离等同起来，实际上它们是两个 概念。发明人认为：如果激励激光能够在探测激光光路上多次反射，即使探测激光的光程较 短，实现较长的有效作用距离是完全可能的。作为成熟技术，光学长程池的入射光在其中来 回反射，能够显著增大有效光程。对于光热干涉方法来说，激励光源是激光，发散角较小， 无需使用孔径角较大、结构复杂的长程池，赫里奥特池足以满足要求。本发明将赫里奥特池 引入光热干涉，提出了利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法。
【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的是针对光热干涉法在测量气溶胶吸收系数时有效作用距离小的缺 陷，提供一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，通过多次反射延长激励激 光对探测激光作用距离；本发明所阐述的光热干涉法含有三个干涉探测通道，通过上下两 通道获得环境因素对相位基线的影响，利用中间通道与上下两通道的差分方法获得气溶胶 吸收引起的相位变化量，在线测量待测气溶胶的吸收系数，摆脱了环境因素和相位改变量 角度区间的限制，具有设计原理简单、检测灵敏度高等特点。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] 利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：包括有调制的光 纤载波激光、激励激光，光纤载波激光的传输路径上设有光分束器，光纤载波激光的入射光 经光分束器分成三束光，三束光的传输路径上分别依次设置光隔离器、光环形器、光准直 器，所述的三个光准直器位于气溶胶检测池的左端，气溶胶检测池的右端等距离处相应设 有三个平面高反镜，气溶胶样品池中设有赫里奥特池，赫里奥特池的右端设有激励激光入 射孔，激励激光从气溶胶检测池右端外部射入。
[0009] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的气 溶胶检测池采用赫里奥特池，赫里奥特池由两片高反凹面镜组成，两高反凹面镜中心掏空， 以分别放置同轴的光纤准直器和圆形平面反射镜，两高反凹面镜在满足试验条件的前提下 尽量小，赫里奥特池的激励激光入射孔开在圆形平面反射镜一端的高反凹面镜上。
[0010] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光由入射口进入赫里奥特池前先后经过了分束器和光环形器，激励激光在赫里奥特池 内多次反射后由入射口射出，激励激光在多次反射过程中始终对干涉光路产生作用，实现 了激励激光对干涉光路有效作用距离的数量级延长；所述的激励激光在多次反射过程中， 其光束截面始终维持圆形。
[0011] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的赫 里奥特池含在气溶胶检测池内，三个干涉光路检测的是同一气溶胶样品。
[0012] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束一，光束一经分 光片分为光束二和激励激光，光束二进入光功率计，实时测量入射激光的功率起伏，激励激 光经激励激光的光环形器进入赫里奥特池，在赫里奥特池多次反射后，在激励激光入射孔 处射出，出射激光经光环形器和光隔离器后进入光功率计。
[0013] 所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：所述的激 励激光的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。
[0014] 一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉方法，其特征在于：所述的光纤 载波激光的入射光经光分束器分成三束光，三束光均在准直器端面产生反射和透射，反射 光沿各自光纤返回，透射光经气溶胶检测池内 的样品区域后由平面高反镜反射原路返回， 穿过气溶胶检测池内的样品区域后再次透过光准直器端面，该透射光和前述光准直器端面 的反射光形成干涉，所述三路干涉光通过各自光环形器后形成干涉光束进入光电探测器， 其中上下两路干涉光束检测相位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大于某一阈值时做 无效处理，该阈值根据实验标定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处于赫里奥特池内， 激励激光在赫里奥特池内反射n次后，再次由入射孔射出，当激励激光对探测激光的单次 有效作用距离为L时，在赫里奥特池内，有效作用距离变为2nL，反射次数n依据入射激光的 直径和能量确定，中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸收激励激光导致 的相位变化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
[0015] 本发明的理论依据是：
[0016] 当光波在大气中传播时，大气气溶胶中的束缚电子将在光波电磁场的作用下发生 受迫振荡，其中一部分能量被气溶胶粒子吸收，导致其温度升高。被加热的气溶胶粒子向周 围空气释放热量，加热周围空气，引起空气折射率的改变。
[0017] 假设激励激光束具有能量L。和截面半径为a。当其通过吸收系数为a、路径长 度为1的样品时，Pabs=P_al(al〈〈l)为样品吸收的功率。该能量将加热样品气体，导致其 温度在St时间内产生AT的温度变化：
[0019] 其中，P表示样品密度，(；为样品恒压热容。如果激励激光经过频率为《的正弦 频率调制并且热传导时间远大于样品的温度在环境温度T附近st= 3i/?，AT可 以写为：
[0021] 根据Gladstone-Dale公式，温度改变量AT与折射率改变量An相关：
[0023] 根据公式⑵和（3)，An可以写为：
[0025] 显然，通过测量空气折射率的改变量，即可以获得气溶胶粒子的吸收系数。利用光 热干涉法测量气溶胶吸收系数就是通过测量空气折射率改变来实现的。当激励激光对探测 激光的作用路径长度固定在1时，
.上述（4)写为：
[0027] 光电探测器输出的干涉信号的电压值表不为
[0028] Vint= {A+Bcos[Ceos?ct+(t) ]} {D+Ecos[ ?ct+(6)
[0029] 而参考信号的电压值可表示为
[0030] Vref=D+Ecos(?ct+<i)〇) (7)
[0031] 式中：A是与干涉仪输入光强、耦合器插入损耗有关的直流项，B与光纤干涉仪输 入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等有关，B=KA，K是干涉仪条纹相干度， K〈l，C为相位调制幅度，为调制信号频率，相位差伞⑴=A<}) + <})Q(t)，A(})为经过 调制的激励激光引起的周期性变化的相位差，<K(t)表示外界环境产生的相位差、初始相 位差以及其它因素产生的相位差。
[0032] V=A+Bcos[Ceos?ct+ <}) (t) ] (8)
[0033] 将⑶式用Bessel函数展开后得：
[0035] 其中的Jk(C)为第一类k阶Bessel函数，该式表明干涉信号包括调制信号的基频 和无穷项高次倍频。这里选用基频和2倍频信号进行相位解调，将（9)式分别乘以cosc^t 和cos2w。1：后，得到：
[0038] 上述信号经以f；/2为频率上限的低通滤波后，所有含《。及其倍频项均被虑去，得
[0039] Si=-BJ! (C)sin⑴ (12)
[0040] S2=-BJ2 (C)cos<i> (t) (13)
[0041] 将（12)、（13)两式分别微分
[0042] S'!=-BJ! (C)cos<}) (t)d<})/dt (14)
[0043] S， 2=BJ2(C)sin<i) (t)d<i)/dt (15)
[0044] 将（12)式X(15)式，（13)式X(14)式，得
[0045] S1S,2=-B2Jt (C)J2 (C)sin2 <}) (t)d<})/dt (16)
[0046] S2Sr ! =B2J: (C)J2 (C)cos2 <i> (t)d<i>/dt (17)
[0047] 再用式（17)-式（16)，得
[0048] S2S，「Sj，fBKOKOdct/dt (18)
[0049] 最后将（18)积分，得
[0050] B2Ji(C)J2 (C) <i> ⑴ (19)
[0051] 通过上述一系列过程，获得相位差巾（t)。该相位差包含了激励激光诱导相位差和 环境噪声相位差，引入多通道技术，能够利用差分方式消除环境噪声相位差。
[0052] 对于现有激光光源来说，普遍具有一定的波长漂移，波长起伏将给干涉仪带来相 位噪声，设干涉仪的长度差为L，则波长变化AX所引起的相位变化A巾'为：
[0054] 对于相同的波长漂移，干涉仪光程差越大，相位噪声越大，二者呈线性关系。若波 长漂移引起的相位噪声值大于光热效应产生的相位起伏值，将无法实现有效的光热干涉测 量，若要求干涉仪相位探测灵敏度达到一定值，必须控制干涉仪的光程差。显然，利用传统 的光热干涉法，单纯增加干涉仪两臂光程差以增大探测区域长度是不可行的。
[0055] 因此引入光学长程池技术，利用多次反射，可在较短的探测区域内实现较长的吸 收光程，通过控制干涉仪光程差将相位噪声维持在很低水平的同时，实现有效作用距离的 大幅增加，有效提高气溶胶吸收系数的探测灵敏度。
[0056] 本发明的有益效果是：
[0057] 本发明利用赫里奥特池，在维持探测激光光程不变的前提下，使得光热干涉法激 励激光对探测激光的有效作用距离延长了至少一个数量级，极大地提高了该方法的检测灵 敏度；三通道设计使得环境因素的影响评估更为合理；相比于传统方法，本发明原理简单， 操作方便，对气溶胶吸收系数的测量拥有更高的检测灵敏度。
[0058] 本发明的优点是：
[0059] 1.通过光纤作为载体，实现了气溶胶吸收系数的原位测量，为光热干涉法的小型 化提供了方便；
[0060] 2.赫里奥特池的引入实现了激励激光对探测激光有效作用距离的数量级延长，提 高了气溶胶吸收系数的检测灵敏度；
[0061] 3.相位改变量的调制解调方式回避了传统干涉方法中转相差点的区间限制，简化 了吸收系数的计算；
[0062] 4.三通道技术的应用使得基线漂移的影响实现了自校验，极大地弱化了环境温度 渐变和平台振动等的影响；
[0063] 5.扣除基线漂移的前提下，本方法是一种零背景信号的测量技术。
【附图说明】：
[0064] 图1为利用赫里奥特池测量气溶胶吸收系数的光热干涉示意图。
[0065] 其中图中标号：1光纤载波激光，2为分束器，3为光隔离器，4为光环形器，5为干 涉光，6为准直器端面，7为赫里奥特池，8为平面高反镜，9为激励激光，10为气溶胶样品池， 11为激励激光的光环形器，12为分光片，13为光束一，S卩光纤激光器的出射激光，14为光束 二，即光纤激光器出射激光的分束光。
[0066] 图2为赫里奥特池内的光线追迹示意图。
[0067] 图3为单个镜面上的光斑分布示意图。
【具体实施方式】：
[0068] 如图1所示，利用赫里奥特池测量气溶胶吸收 的光热干涉装置及方法，包括有光 纤载波激光1，光纤载波激光1的传输光路上设有光分束器2,光纤载波激光1的入射光经 光分束器2分成三束光，三束光的前方传输光路上分别依次设置有光隔离器3、光环形器4 和光准直器。三个光准直器位于气溶胶样品池10的前端，气溶胶样品池10的后端等距离 处设有三个和光准直器端面6平行的平面高反镜8,气溶胶样品池10中设有赫里奥特池7， 三束光分别在准直器端面6存在反射和透射，反射光沿原路返回，透射光经气溶胶样品池 10内的待检测样品区由高反镜8反射后原路返回，穿过气溶胶样品池10内的待检测样品 后再次透过光准直器端面6,该透射光和光准直器端面6的反射光形成干涉光5。所述三路 干涉光5通过光环形器4后形成干涉光束进入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相 位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标 定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处于赫里奥特池7内，激励激光9在赫里奥特池7 内反射n次后，再次由入射孔射出，详见图2。当激励激光对探测激光的单次有效作用距离 为L时，在赫里奥特池7内，有效作用距离变为2nL，反射次数n依据入射激光的直径和能量 确定。中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸收激励激光9导致的相位变 化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
[0069] 激励激光9包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束 13,光束13经分光片12分为光束14和激励激光，光束14进入光功率计，实时测量入射激 光的功率起伏，激励激光9经光环形器11进入赫里奥特池7,在赫里奥特池7多次反射后， 在激励激光入射孔处射出，出射激光经光环形器11和光隔离器后进入光功率计。
[0070] 激励激光9的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。光 路如图3所示。激励激光9对探测光路的有效作用距离受到两个因素的制约：激励激光9 对探测光路的夹角和激励激光在赫里奥特池内的反射次数。激励激光9对探测光路的夹角 大小与赫里奥特池的曲率半径、光准直器端面6的直径及高反镜8的直径有关，协调三者间 的关系，尽量减小激励激光9对探测光路的夹角。激励激光在赫里奥特池内的反射次数由 赫里奥特池两凹面镜的反射率及激励激光的直径共同决定，反射次数的确定需兼顾探测激 光光程的长短、装置的小型化及需要达到的探测灵敏度等因素，反射次数并非越多越好。
[0071] 将赫里奥特池7置于气溶胶样品池10,使得三个干涉光路所测量的样品相同，将 样品本身差异带来的误差降至最低。
[0072] 图2中，其中A出射为激励激光，B出射为探测激光，为描述方便，将探测激光和激 励激光做理想化光线处理。激励激光经反射镜多次反射其光束形成一个圆柱形薄壁，薄壁 厚度为泵浦光直径，探测光束正好处于该圆柱形薄壁中轴位置，对于满足稳定性条件与重 入射条件的赫里奥特池，当斜率与两镜子间距一定的情况下，多次反射次数N为一定值，投 影圆半径r只与入射光斜率有关，通过调节入射光入射角，可使激励激光光斑与探测激光 光斑逐渐接近，达到类似于共线耦合的效果，同时因入射光具有一定的斜率，对于一条光线 来说，激励激光与探测激光具有类似于掠射式结构的效果。赫里奥特池折返次数可达到100 次以上，理论上可将有效作用长度提高1~2个数量级。
[0073] 图3中，中间白色圆斑为探测激光，外围白色圆斑为激励激光，+为入射孔。
[0074] 光热干涉法的噪声主要来源于环境温度渐变和平台振动，其中环境温度渐变是缓 变量，容易通过低频滤波的方式去除，平台振动的频率可能和激励激光频率处于一个频段， 需要通过锁相放大器滤除。
【主权项】
1. 利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在于：包括有调制的光纤 载波激光、激励激光，光纤载波激光的传输路径上设有光分束器，光纤载波激光的入射光经 光分束器分成三束光，三束光的传输路径上分别依次设置光隔离器、光环形器、光准直器， 所述的三个光准直器位于气溶胶检测池的左端，气溶胶检测池的右端等距离处相应设有三 个平面高反镜，气溶胶样品池中设有赫里奥特池，赫里奥特池的右端设有激励激光入射孔， 激励激光从气溶胶检测池右端外部射入。2. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的赫里奥特池由两片高反凹面镜组成，两高反凹面镜中心掏空，以分别放置同轴的 光纤准直器和圆形平面反射镜，两高反凹面镜在满足试验条件的前提下尽量小，赫里奥特 池的激励激光入射孔开在圆形平面反射镜一端的高反凹面镜上。3. 根据权利要求1或2所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特 征在于：所述的赫里奥特池的激励激光在多次反射过程中，其光束截面始终维持圆形。4. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的赫里奥特池含在气溶胶检测池内，三个干涉光路检测的是同一气溶胶样品。5. 根据权利要求1所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特征在 于：所述的激励激光包含了入射激光和出射激光，其入射激光来源于光纤激光器的光束一， 光束一经分光片分为光束二和激励激光，光束二进入光功率计，实时测量入射激光的功率 起伏，激励激光经激励激光的光环形器进入赫里奥特池，在赫里奥特池多次反射后，在激励 激光入射孔处射出，出射激光经光环形器和光隔离器后进入光功率计。6. 根据权利要求1或5所述的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置，其特 征在于：所述的激励激光的截面为圆形，在赫里奥特池内的多次反射及出射激光均为圆形。7. -种基于权利要求1的利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉方法，其特征在 于：所述的光纤载波激光的入射光经光分束器分成三束光，三束光均在准直器端面产生反 射和透射，反射光沿各自光纤返回，透射光经气溶胶检测池内的样品区域后由平面高反镜 反射原路返回，穿过气溶胶检测池内的样品区域后再次透过光准直器端面，该透射光和前 述光准直器端面的反射光形成干涉，所述三路干涉光通过各自光环形器后形成干涉光束进 入光电探测器，其中上下两路干涉光束检测相位基线漂移，当两路的相位漂移相对误差大 于某一阈值时做无效处理，该阈值根据实验标定值确定，中间一路干涉光束的探测激光处 于赫里奥特池内，激励激光在赫里奥特池内反射n次后，再次由入射孔射出，当激励激光对 探测激光的单次有效作用距离为L时，在赫里奥特池内，有效作用距离变为2nL，反射次数n 依据入射激光的直径和能量确定，中间一路干涉光束的检测结果含有基线漂移和气溶胶吸 收激励激光导致的相位变化，扣除上下两路的平均值获得激励激光诱导的相位变化量。
【专利摘要】本发明公开了一种利用赫里奥特池测量气溶胶吸收的光热干涉装置及方法，设计三路干涉光，利用上下两路检测环境温度渐变和平台振动引起的相位基线漂移并形成自校正，中间一路的探测激光在赫里奥特池内传输，在探测激光光程不变的前提下，使得激励激光对探测激光的有效作用长度获得了数量级的延长，通过中间一路和上下两路的配合获得激励激光导致的相位变化，实现气溶胶吸收系数的在线检测。本发明利用赫里奥特池对有效作用距离延长使得光热干涉法的探测灵敏度极大提高，所用相位调制解调方法使得相位差结算摆脱了角度区间限制。
【IPC分类】G01N21/45
【公开号】CN104897613
【申请号】CN201510163971
【发明人】李树旺, 邵士勇, 梅海平, 曹振松, 刘强, 饶瑞中
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月8日
最新回复(0)