一种谐振腔内石英音叉气体检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，使用石英音叉通过光声光谱实现气体检测。
【背景技术】
[0002]分子光谱学的气体检测技术具有灵敏度高、选择性好、可实时在线检测等优点，近年来备受人们关注，尤其是光声光谱，更是具有对光源波长无选择性而被广泛应用。光声光谱法是基于光声效应发展起来的光谱技术。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应；若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，即为光声光谱。
[0003]传统的光声光谱采用麦克风对声波进行探测，2002年美国莱斯大学率先使用石英音叉代替麦克风，使得装置的体积大大减小，取得了理想的效果。目前的石英音叉式气体检测装置还可进一步提高检测灵敏度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有更高检测灵敏度的谐振腔内石英音叉气体检测装置。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为:
[0006]一种谐振腔内石英音叉气体检测装置，包括谐振腔、吸收腔、石英音叉探测器、调制器、放大器单元和主机，其中:外部入射或内部泵浦激发的激光在所述谐振腔内振荡，以该激光作为检测光；所述吸收腔与谐振腔一体或分立设置，吸收腔为留有气口的密封腔体，位于检测光光路中，所述调制器在检测光光路中置于吸收腔前端；所述石英音叉探测器位于吸收腔内，包括共振管和石英音叉；共振管轴线与所述检测光光路同轴，共振管下部有一个开口槽；石英音叉位于所述开口槽处，其两个振臂分置于共振管轴线两侧，振臂平面与共振管轴线平行；所述石英音叉信号输出端连接放大器单元，放大器单元连接主机进行数据采集处理。
[0007]一种优选的，所述吸收腔与谐振腔分体设置，吸收腔位于谐振腔内，吸收腔两端分别设置透光的前窗口和后窗口，振荡的检测光经前窗口和后窗口入射吸收腔。
[0008]优选的，还包括泵浦光源和聚焦透镜，所述谐振腔内包括钛宝石晶体，所述泵浦光源发出的泵浦光经聚焦透镜入射所述钛宝石晶体，钛宝石晶体在谐振腔内出射激光，该激光为所述检测光。
[0009]优选的，所述谐振腔为四镜Z型折叠腔，谐振腔由两端第一反射镜和输出镜构成，中段设置转折光路的第二反射镜和第三反射镜；所述钛宝石晶体位于所述第二反射镜和第三反射镜之间，泵浦光透过第二反射镜入射至钛宝石晶体；所述吸收腔位于第三反射镜和输出镜之间。
[0010]优选的，所述第二反射镜和第三反射镜为曲率半径相同的凹面镜，用于在转折谐振光路的同时起到聚焦作用。
[0011]优选的，谐振腔内还设置有成布鲁斯特角的棱镜对，在谐振光路中补偿色散。
[0012]另一种优选的，所述吸收腔与谐振腔一体，吸收腔两端平行设置前平面反射镜和后平面反射镜，两反射镜构成F-P型谐振腔；检测光自前平面反射镜入射，在两反射镜间形成振荡。
[0013]作为上述所有技术方案的优选，所述放大器单元由前置放大器和锁相放大器组成，石英音叉信号输出端连接前置放大器，锁相放大器同时连接调制器、主机和前置放大器。调制器的调制频率为&/2的整数倍，其中&是石英音叉的共振频率，调制器的调制频率信号被输入到锁相放大器中作为参考信号，石英音叉的信号首先被输入到前置放大器中，然后再输入到锁相放大器中依据参考信号检波，锁相放大器中的信号输入到主机中进行数据采集。
[0014]优选的，所述调制器为电光调制器、声光调制器或磁光调制器。
[0015]本发明提供一种具有谐振腔的固态激光器或F-P腔结构的光谱检测装置，激光在谐振腔内部形成共振态，且只有小部分光透射出腔体，从而在谐振腔内的光强会远远大于腔外的光强，石英音叉探测器位于充满待测气体的密封的腔体内，由于石英音叉的探测灵敏度又与光强成正比，所以本发明提供的装置具有更高的灵敏度。
【附图说明】
[0016]图1为实施例1气体检测装置中的光路结构示意图；
[0017]图2为本发明所述气体检测装置中的石英音叉探测器放大结构立体图；
[0018]图3为实施例1气体检测装置整体结构示意图；
[0019]图4为实施例2气体检测装置吸收腔结构示意图；
[0020]图5为实施例2气体检测装置整体结构示意图。
[0021]其中:
[0022]1:谐振腔；1-1:泵浦光源；1-2:聚焦透镜；1-3:钛宝石晶体;1_4:棱镜对；2:吸收腔;2-1:气口 ;3:石英音叉探测器;3-1:共振管;311:开口槽;3-2:石英音叉;321:振臂；4:调制器；5:信号放大单元；5-1:前置放大器；5-2:锁相放大器；6:主机；
[0023]Ml:第一反射镜；M2:第二反射镜；M3:第三反射镜；M4:输出镜；W1:前窗口镜；W2:后窗口镜；R1:前平面反射镜；R2:后平面反射镜；
[0024]A:检测光；P:泵浦光。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。
[0026]实施例1
[0027]如图1所示是本实施例的光学部分基本结构图，本实施例使用钛宝石激光器提供谐振腔1，谐振腔I采用四镜Z型折叠腔，吸收腔2位于谐振腔I中。
[0028]钛宝石激光器主要由三个部分组成:泵浦光源1-1、增益介质和谐振腔1，本实施例增益介质采用钛宝石晶体1-3。由泵浦光源1-1所发射的泵浦光P入射到钛宝石晶体1-3上产生粒子数反转，射出激光，作为检测光A ;第一反射镜Ml和输出镜M4构成谐振腔1，第一反射镜Ml为平面镜；腔内两个曲率半径相同的凹面镜，为第二反射镜M2和第三反射镜M3，两个反射镜在谐振腔I光路中起到聚焦作用；此外，在谐振腔I内有专门的色散补偿装置，即一组成布鲁斯特角的棱镜对1-4，本实施例中棱镜对1-4放在第二反射镜M2和第一反射镜Ml之间。
[0029]其中，泵浦光P的波长为532nm或者514nm，输出镜M4对钛宝石激光的透过率为5 %，第一反射镜Ml和第三反射镜M3对钛宝石激光全反射，第二反射镜M2对泵浦光P高透，对检测光A高反，泵浦光P入射到第二反射镜M2时首先由一个聚焦透镜1-2聚焦；石英音叉探测器3就位于第三反射镜M3和输出镜M4之间的吸收腔2内。
[0030]如图2所示是石英音叉探测器3的结构立体图。石英音叉探测器3主要由一支石英音叉3-2和一个共振管3-1组成，石英音叉3-2有两个振臂321，振臂321平面与谐振腔I平行，石英音叉3-2受到外部的激励后两个振臂321会产生往复振动。石英音叉3-2下部有两个电极，一个与信号地连接，另外一个连接信号放大单元5用于输出因振动而产生的电信号。石英音叉3-2的两个振臂321位于共振管3-1下部一个开口槽311处，共振管3_1的轴线与检测光A光路同轴，检测光A通过共振管3-1时被待测物质吸收，由于待测物质的碰撞退激释