1.本发明涉及气体检测技术领域，尤其是涉及一种光反馈式气溶胶检测装置。
背景技术：2.大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射影响地球大气的能量收支，影响气候变化。大气气溶胶的辐射效应取决于气溶胶的光学特性，包括气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数。大气气溶胶消光系数在垂直方向上的积分为气溶胶光学厚度，大气气溶胶散射系数与消光系数的比值为气溶胶单次散射反照率。气溶胶光学厚度和单次散射反照率在气溶胶辐射强迫研究中尤其重要，其微小变化可能导致气溶胶辐射强迫的较大变化，因此，要准确评估气溶胶辐射强迫，需要同时准确地测量气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数。目前，普遍采用黑碳仪或吸收分光光度计测量气溶胶吸收系数，利用积分浊度仪测量气溶胶散射系数，进而计算得到消光系数。由于采用两台仪器分别抽取气溶胶进行气溶胶吸收系数、散射系数测量，测量对象在空间和时间上存在不一致性，测量结果可比性会存在一定问题。也有研究报道，将腔衰荡光谱技术或者光声光谱技术和积分浊度技术相结合，实现对气溶胶消光系数、散射系数和吸收系数实时测量。然而，采用积分浊度法测量气溶胶散射系数存在系统性偏差，测量结果与气溶胶粒径、复折射指数相关。
3.中国发明专利申请公布号cn108896449a，申请公布日2018年11月27日，名称为“一种气溶胶同步测量系统”，公开了一种气溶胶同步测量系统，其包括光路模块、气路模块、腔体模块、光声光谱信号处理模块、腔衰荡信号处理模块和控制模块，利用腔衰荡和光声光谱技术在同一本体和同一背景下完成了气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数测量，实现了气溶胶的光学性质的精确获取。但该发明专利未涉及光反馈技术，仅将传统的腔衰荡技术和光声光谱技术整合在一起，测量精度依赖于激光器性能，光路部分相对复杂。中国发明专利申请公布号cn102445423a，申请公布日2012年5月9日，名称为“一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术”，公开了一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，以v型折叠腔作为衰荡腔对dfb激光器进行锁频和谱线压窄，进而实现了气体的高光谱分辨率和高灵敏度测量。但是，v型折叠腔引入了折叠镜片，增加了腔内损耗，不利于更高精度测量，且需使用单频窄线宽dfb激光器和腔长扫描，成本较高，技术实现难度较大。
技术实现要素：4.本实用新型为了克服现有技术中气溶胶光学特性测量误差较大、光学结构较为复杂、需要高成本单频窄线宽激光器等问题，提供一种光反馈式气溶胶检测装置，具有成本低，测量精度相对高，结构简单，实现容易，应用范围广等优点。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.光线输出与改变装置，其用于输出和改变多纵模线偏振激光，包括用于输出光线的多纵模激光二极管1和用于偏振分离激光的偏振分束立方体4；
7.光线反射装置，其用于改变激光的传播路径；
8.光学检测装置，其用于检测气溶胶的光学特性，光学特性包括消光系数和吸收系数，光学检测装置包括镀有膜的第一高反射镜82和第二高反射镜84；
9.测试模组，其用于控制多纵模激光二极管1和接收光学检测信号并分析检测气溶胶的光学特性。
10.上述技术方案中，光线输出与改变装置输出多纵模偏振激光并调整改变激光的形式，其中多纵模激光二极管1相较现有技术中的单模激光二极管成本更低，通过单个偏振分束立方体4实现了光隔离和光反馈，代替了现有技术中的法拉第光隔离器，结构更简单，光线反射装置将光线输出与改变装置发出的激光传递到光学检测装置中，激光在第一高反射镜82和第二高反射镜84之间不断反射并在腔内形成纵模谐振，光学检测装置输出激光利用多纵模光反馈技术实现激光的模式锁定和线宽压窄，由此实现了检测装置的高精度测量，省去了现有技术中腔长扫描、反馈激光相位扫描和电流扫描等配置，从而去除了纵模匹配和相位匹配等复杂操作，结构简单、实现容易，光学检测装置负责检测气溶胶的消光和吸收特性，并将检测信号传递到测试模组中，测试模组用于控制光线输出和处理检测信号，计算得到气溶胶的消光系数和吸收系数后，进而计算得到气溶胶的散射系数，完成气溶胶光学特性检测。
11.作为优选，光线输出与改变装置还包括激光准直镜2、第一λ/2波片3、模式匹配与整形模块5、第二λ/2波片11、激光分束镜9，激光准直镜2、第一λ/2波片3、偏振分束立方体4和模式匹配与整形模块5依次设置在多纵模激光二极管1的左侧，第二λ/2波片11设置在多纵模激光二极管1下方，激光分束镜9设置在光学检测装置右侧，激光由多纵模激光二极管1发出，依次经过激光准直镜2、第一λ/2波片3，之后被传递到偏振分束立方体4中，被偏振分离成两道，一道被传递到光线反射装置中，另一道被传递到模式匹配与整形模块5中，然后通过光线反射装置传递到光学检测装置中。
12.作为优选，光线反射装置包括第一激光反射镜6、第二激光反射镜7、第三激光反射镜10和第四激光反射镜12，第一激光反射镜6设置在光线输出与改变装置右侧，第二激光反射镜7设置在第一激光反射镜6上方，第三激光反射镜10和第四激光反射镜12设置在光线输出与改变装置下方，用于改变激光的传递方向，引导激光通向光学检测装置，引导激光反馈到多纵模激光二极管。
13.作为优选，光学检测装置还包括复合光谱测量腔8、第一窗口片81、第二窗口片85和调节装置，复合光谱测量腔8为金属中空结构，中部为空心细腔体，腔体直径为d，长度为l；复合光谱测量腔8两端对称分布空心粗腔体，腔体直径为d，长度为l，满足d≤0.25d，l＝2l；复合光谱测量腔8两端采用第一窗口片81和第二窗口片85进行密封安装；第一高反射镜82和第二高反射镜84经调节装置相向共轴安装于测量腔内部两端，高反射镜曲率半径分别为r1和r2，满足高反射镜通过调节装置进行精密三维调节，实现高反射镜组成的谐振腔光轴与测量腔光轴重合；复合光谱测量腔8中部密封安装有用于探测复合光谱测量腔8内部光声信号的高灵敏麦克风83，高灵敏麦克风83传感部位与空心细腔体连通；复合光谱测量腔8输出端后方设有用于获取复合光谱测量腔8输出衰荡信号的激光探测器13；射入激光光束与复合光谱测量腔光轴重合，激光光束在测量腔内来回往返并形成谐振，在测量腔内与气溶胶发生消光作用，含吸收和散射作用，然后经测量腔输出端射
出，其一，射出激光携带气溶胶消光信息，由激光探测器接收测量腔衰荡信号，输出至测试模组，其二，测量腔内的激光被气溶胶吸收，吸收后产生热量从而形成声音信号，高灵敏麦克风探测测量腔内光声信号，输出至测试模组。
14.作为优选，测试模组包括锁相放大模块14、高速采集卡15、驱动模块16和控制显示模块17，锁相放大模块14负责谐波检测，高速采集卡15负责接收激光探测器获取的衰荡信号和锁相放大模块14提取的光声信号，控制显示模块17负责接收处理并显示待测气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数；根据输出信号控制驱动模块16，实现多纵模激光二极管1的激光发射与关断。
15.作为优选，所述的模式匹配与整形模块5由整形透镜、匹配透镜和光阑等光学元件组成，保证输出光斑为圆形，输出光斑束腰位置位于复合光谱测量腔中间，输出光斑束腰半径与复合光谱测量腔相匹配。
16.作为优选，多纵模激光二极管1的辐射光谱带宽为ghz量级，单纵模线宽为mhz量级，激光功率为(0～50)mw，由于激光线宽越窄得到的检测结果越精准，控制多模激光二极管1发出的激光线宽可以得到更准确的测量结果。
17.作为优选，复合光谱测量腔8还设有保护气端口、待测气溶胶端口和混合气端口，其中，两个保护气端口位于复合光谱测量腔两侧且分别紧靠第一高反射镜82和第二高反射镜84，保护气为氮气或洁净空气；待测气溶胶端口和混合气端口均位于复合光谱测量腔8两侧，设于空心粗腔体中间附近位置，第一窗口片81和第二窗口片85镀有高透膜，保护气端口用于放置保护气，保护气可以防止高反射镜受待测气溶胶污染；待测气溶胶端口和混合气端口分别用于待测气溶胶泵入和混合气体泵出，其中，混合气由保护气和待测气溶胶混合组成，窗口片镀有高透膜，一是实现复合光谱测量腔密封，二是实现激光低损耗入射和出射。
18.作为优选，第一窗口片81和第二窗口片85镀有高透膜且为楔形形状，能更好的抑制激光干涉。
19.本实用新型的有益效果是：(1)使用单个偏振分束立方体实现了光隔离和光反馈，结构简单；(2)使用多纵模激光二极管代替单频窄线宽激光器，成本更低；(3)无需纵模和相位匹配，省去复杂配置，实现更加容易；(4)利用多纵模光反馈技术实现激光的模式锁定和线宽压窄，测量精度较高。
附图说明
20.图1是本实用新型的结构示意图。
21.图中：多纵模激光二极管1、激光准直镜2、第一λ/2波片3、偏正分束立方体4、模式匹配与整形模块5、第一激光反射镜6、第二激光反射镜7、复合光谱测量腔8、第一窗口片81、第一高反射镜82、高灵敏麦克风83、第二高反射镜84、第二窗口片85、激光分束镜9、第三激光反射镜10、第二λ/2波片11、第四激光反射镜12、激光探测器13、锁相放大模块14、高速采集卡15、驱动模块16、控制显示模块17。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的描述。
23.实施例1：
24.如图1所示，一种光反馈式气溶胶检测装置，包括多纵模激光二极管1、激光准直镜2、第一λ/2波片3、偏正分束立方体4、模式匹配与整形模块5、第一激光反射镜6、第二激光反射镜7、复合光谱测量腔8、第一窗口片81、第一高反射镜82、高灵敏麦克风83、第二高反射镜84、第二窗口片85、激光分束镜9、第三激光反射镜10、第二λ/2波片11、第四激光反射镜12、激光探测器13、锁相放大模块14、高速采集卡15、驱动模块16、控制显示模块17；偏振分束立方体4右侧依次设有第一λ/2波片3、激光准直镜2和多纵模激光二极管1，偏振分束立方体4左侧依次设有模式匹配与整形模块5和第一激光反射镜6，第一激光反射镜6上方设有第二激光反射镜7，第二激光反射镜7右侧依次设有光学检测装置和激光分束镜9，偏振分束立方体4下方设有第四激光反射镜12，第四激光反射镜12左侧依次设有第二λ/2波片11和第三激光反射镜10，激光分束镜9右侧设有激光探测器13，光学检测装置包括第一高反射镜82和第二高反射镜84，第一高反射镜82和第二高反射镜84镀有膜且正面反射率达到99.9％，反面可90
°
旋转正入射线偏振光的偏振方向，激光探测器13右侧还设有测试模组，多纵模激光二极管1发出的偏振光包含多个激光纵模，光学检测装置还包括复合光谱测量腔8、高灵敏麦克风83、第一窗口片81、第二窗口片85和调节装置，复合光谱测量腔8为金属中空结构，中部为空心细腔体，腔体直径为d，长度为l；复合光谱测量腔8两端对称分布空心粗腔体，腔体直径为d，长度为l，满足d≤0.25d，l＝2l；复合光谱测量腔8两端采用第一窗口片81和第二窗口片85进行密封安装；第一高反射镜82和第二高反射镜84经调节装置相向安装于测量腔内部两端，高反射镜曲率半径分别为r1和r2，满足复合光谱测量腔8中部密封安装高灵敏麦克风83，麦克风传感部位与空心细腔体连通，射入激光光束与复合光谱测量腔光轴重合，模式匹配与整形模块5由整形透镜、匹配透镜和光阑等光学元件组成，测试模组包括锁相放大模块14、高速采集卡15、驱动模块16和控制显示模块17，多纵模激光二极管1的辐射光谱带宽为ghz量级，单纵模线宽为mhz量级，激光功率为(0～50)mw，复合光谱测量腔8还设有保护气端口、待测气溶胶端口和混合气端口，其中，两个保护气端口位于复合光谱测量腔两侧且分别紧靠第一高反射镜82和第二高反射镜84，保护气为氮气或洁净空气；待测气溶胶端口和混合气端口均位于复合光谱测量腔8两侧，设于空心粗腔体中间附近位置，第一窗口片81和第二窗口片85镀有高透膜，第一窗口片81和第二窗口片85为楔形形状。
25.上述技术方案中，多纵模激光二极管1发射多纵模线偏振激光，由激光准直镜2准直后射出，经λ/2波片13旋转调节后由偏振分束立方体4进行偏振分离，其中，平行光透射后沿着原传输方向传输，经模式匹配与整形模块5后形成匹配的圆形光斑后依次由第一激光反射镜6和第二激光反射镜7反射并射入复合光谱测量腔8中，射入腔内的激光光束与复合光谱测量腔8光轴重合，激光光束在测量腔8中发生谐振后由输出端射出，射出激光携带待测气溶胶光学特性信息，经激光分束镜9一分为二。一路由激光探测器13接收，另一路经第三激光反射镜10反射后穿过第二λ/2波片11，平行光变为垂直偏振光，垂直偏振光经过第四激光反射镜12反射后由偏振分束立方体4反射并依次通过第一λ/2波片3和激光准直镜2后反馈至多纵模激光二极管1，高灵敏麦克风83接收测量腔内光声信号，由锁相放大模块14进行谐波检测，高速采集卡15接收激光探测器13获取的衰荡信号和锁相放大模块14提取的光
声信号，由控制显示模块17接收，计算并显示待测气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数，同时，控制驱动模块16实现激光二极管1的发射和关断，激光二级管1发射的光含许多个单纵模成分，检测装置无需进行电流或腔长扫描便可实现模式匹配与谐振，输出的水平偏振光经反馈光路耦合至激光二极管1中，无需进行反馈光的相位匹配便可实现模式锁定和线宽压窄，测量装置结构简单，无需相位匹配，技术实现难度低。
26.光反馈的实现：复合光谱测量腔8、激光分束镜9、第三激光反射镜10、第二λ/2波片11、第四激光反射镜12、偏振分束立方体4、第一λ/2波片2、激光准直镜2和多纵模激光二极管1形成光反馈光路，经复合光谱测量腔8谐振选模后的输出水平偏振光，由激光分束镜9和第三激光反射镜10反射，偏振方向在第二λ/2波片11发生90
°
旋转变成垂直偏振光，垂直偏振光经偏振分束立方体4反射后原路射入多纵模激光二极管1，与多纵模激光二极管1形成光反馈，实现激光模式锁定和线宽压窄。
27.光隔离的实现：偏振分束立方体4、模式匹配与整形模块5、第一激光反射镜6和第二激光反射镜7、第一窗口片81和第一高反射镜82形成光隔离光路，来自多纵模激光二极管1的平行光经第一高反射镜82反射后，偏振方向旋转90
°
变成垂直偏振光，垂直偏振光原路返回至偏振分束立方体4，发生反射后射出光路，与多纵模激光二极管1形成光隔离，避免了光返回干扰；偏振分束立方体4、第四激光反射镜12、第二λ/2波片11、第三激光反射镜10、激光分束镜9、第二窗口片85和第二高反射镜84形成光隔离光路，来自多纵模激光二极管1的垂直偏振光经第二高反射镜84反射后，偏振方向旋转90
°
变成水平偏振光，水平偏振光原路返回至偏振分束立方体4，发生透射后射出光路，与多纵模激光二极管1形成光隔离，避免了光返回干扰。
28.复合光谱的测量：由于测量腔内的激光被气溶胶吸收和散射(消光)，造成腔内激光损耗增大，激光在腔内的能量大小及衰减时间将会下降，快速切断激光二极管电流后，利用激光探测器实现腔衰荡信号的获取，衰荡时间与气溶胶消光系数成一定的关系，经数据处理后实现气溶胶消光系数的测量。由于测量腔内的激光被气溶胶吸收，吸收后产生热量从而形成声音信号，气溶胶吸收系数越大，吸收的热量就越多，产生的声音信号就越强，腔内的光声信号与气溶胶吸收系数成一定的关系，麦克风探测到测量腔内光声信号，输出至锁相放大模块进行谐波检测，经数据处理从而实现气溶胶吸收系数的测量。利用获得的消光系数和吸收系数，便可实现气溶胶的散射系数计算。
29.本实用新型的有益效果是：(1)使用单个偏振分束立方体实现了光隔离和光反馈，结构简单；(2)使用多纵模激光二极管代替单频窄线宽激光器，成本更低；(3)无需纵模和相位匹配，省去复杂配置，实现更加容易；(4)利用多纵模光反馈技术实现激光的模式锁定和线宽压窄，测量精度较高。
技术特征：1.一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，包括：光线输出与改变装置，其用于输出和改变多纵模线偏振激光，包括用于输出光线的多纵模激光二极管(1)和用于偏振分离激光的偏振分束立方体(4)；光线反射装置，其用于改变激光的传播路径；光学检测装置，其用于检测气溶胶的光学特性，光学特性包括消光系数和吸收系数，光学检测装置包括镀有膜的第一高反射镜(82)和第二高反射镜(84)；测试模组，其用于控制多纵模激光二极管(1)和接收光学检测信号并分析检测气溶胶的光学特性。2.根据权利要求1所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，光线输出与改变装置还包括激光准直镜(2)、第一λ/2波片(3)、模式匹配与整形模块(5)、第二λ/2波片(11)、激光分束镜(9)，激光准直镜(2)、第一λ/2波片(3)、偏振分束立方体(4)和模式匹配与整形模块(5)依次设置在多纵模激光二极管(1)的左侧，第二λ/2波片(11)设置在多纵模激光二极管(1)下方，激光分束镜(9)设置在光学检测装置右侧。3.根据权利要求1所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，光线反射装置包括第一激光反射镜(6)、第二激光反射镜(7)、第三激光反射镜(10)和第四激光反射镜(12)，第一激光反射镜(6)设置在光线输出与改变装置右侧，第二激光反射镜(7)设置在第一激光反射镜(6)上方，第三激光反射镜(10)和第四激光反射镜(12)设置在光线输出与改变装置下方。4.根据权利要求1所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，光学检测装置还包括复合光谱测量腔(8)、第一窗口片(81)、第二窗口片(85)和调节装置，复合光谱测量腔(8)为金属中空结构，中部为空心细腔体，腔体直径为d，长度为l；复合光谱测量腔(8)两端对称分布空心粗腔体，腔体直径为d，长度为l，满足d≤0.25d，l＝2l；复合光谱测量腔(8)两端密封安装有第一窗口片(81)和第二窗口片(85)；第一高反射镜(82)和第二高反射镜(84)经调节装置相向共轴安装于复合光谱测量腔(8)内部两端，第一高反射镜(82)和第二高反射镜(84)曲率半径分别为r1和r2，满足复合光谱测量腔(8)中部密封安装有用于探测复合光谱测量腔(8)内部光声信号的高灵敏麦克风(83)，高灵敏麦克风(83)传感部位与空心细腔体连通；复合光谱测量腔(8)输出端后方设有用于获取复合光谱测量腔(8)输出衰荡信号的激光探测器(13)。5.根据权利要求1所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，测试模组包括锁相放大模块(14)、高速采集卡(15)、驱动模块(16)和控制显示模块(17)。6.根据权利要求2所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，所述的模式匹配与整形模块(5)由整形透镜、匹配透镜和光阑等光学元件组成。7.根据权利要求1或2所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，多纵模激光二极管(1)的辐射光谱带宽为ghz量级，单纵模线宽为mhz量级，激光功率为(0～50)mw。8.根据权利要求4所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，复合光谱测量腔(8)还设有保护气端口、待测气溶胶端口和混合气端口，其中，两个保护气端口位于复合光谱测量腔两侧且分别紧靠第一高反射镜(82)和第二高反射镜(84)，保护气为氮气或洁净空
气；待测气溶胶端口和混合气端口均位于复合光谱测量腔(8)两侧并设于空心粗腔体中间附近位置。9.根据权利要求4所述的一种光反馈式气溶胶检测装置，其特征是，第一窗口片(81)和第二窗口片(85)镀有高透膜，第一窗口片(81)和第二窗口片(85)为楔形外观。
技术总结本实用新型公开了一种光反馈式气溶胶检测装置，包括激光二极管、复合光谱测量腔、激光准直镜、λ/2波片、偏振分束立方体、模式匹配与整形模块、激光探测器、高灵敏麦克风、锁相放大模块、高速采集卡、驱动模块和控制显示模块等。本实用新型提出了一种光反馈式气溶胶检测装置,采用多纵模光反馈技术，实现了气溶胶光学特性的测量，具有成本低、测量精度相对高、结构简单、实现容易等优点。实现容易等优点。实现容易等优点。
技术研发人员：胡朋兵 程崇慧 刘素梅 戚海洋 潘孙强
受保护的技术使用者：浙江省计量科学研究院
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2022/7/5
