一、工业在线分析仪产品介绍

激光拉曼光谱分析仪”实现包括氯碱行业中常用的氯气和氯化氢气体分析在内的工业气体原料成分实时在线分析领域的广泛应用，以及危险气体泄漏的在线监测、实验室气体分析等场景的广泛应用。“激光拉曼光谱分析仪”能够检测包括氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷氯气、氯化氢在内的数十种气体及挥发物，实现ppm-100%量程的超高动态范围、100-10ppm（0.01%-0.001%）的超低检出限、单个气体1-10s的快速在线检测。

同时采用深紫外纳秒脉冲激光结合2ns闸控光电倍增管，实现针对甲烷、一氧化碳等危险品的远距离探测；能够实现1000米内1米精度的逐层扫描，水平0-180°、竖直0-30°的0.01°精度扫描，实时监测扫描范围内任意位置的危险气体种类和浓度，能够满足于化工园区的危险品泄漏监测和大气环境监测等应用。

图1

激光拉曼光谱分析仪结合激光拉曼光谱技术、非共心腔反射增强技术、光电倍增管、狭缝、纳米位移平台相结合的超高灵敏度光谱仪技术等多项技术，实现拉曼光谱技术从分析固体和液体，向分析超低浓度气体的跨越，替代进口，降低成本。

如图1所示，激光拉曼光谱分析仪针对工业气体分析、危险气体监测、实验室气体分析、环境污染物监测等应用。目前能够检测氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔，随后将检测范围扩展至丙烷、丁烷、丙烯、丁烯、氯化氢、氯气、氨气、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、硫化氢等各类常见气体。目前检测极限达到100-10ppm（0.01%-0.001%），正在向10-1ppm持续研发中；对于每种气体，检测时间小于10s，能够对多个监测点循环监测。

图2 激光拉曼光谱远程分析仪原理样机

如图2所示，激光拉曼光谱远程分析仪针对危险气体监测、危险物质远程分析、大气污染物监测、远程毒气分析等应用。结合拉曼光谱技术、纳秒闸控技术、深紫外脉冲激光技术、自主研发的深紫外光谱仪发明zhuan利，实现10-1000 m范围内任意位置的危险气体如甲烷、一氧化碳等危险品探测分析。

二、工业在线分析仪产品特点

1、关键核心技术及创新点

（1）自主研发的超高灵敏度的光谱仪探测模块，将狭缝、10^5-10^6增益的光电倍增管、50nm精度的纳米位移平台结合，通过扫谱方式替代现有的CCD/CMOS作为光谱仪探测器，将光谱分析的灵敏度提升10^4倍以上，能够实现各种微量物质和气体样品的光谱分析

激光拉曼光谱技术虽然在各类分子的定性和定量分析具有广阔应用前景，但由于拉曼光谱信号极弱，对于微量（浓度1%以下）物质和气体的拉曼光谱分析，现有的基于CCD/CMOS探测器的光谱分析方法难以探测到有效信号。

光电倍增管（PMT）是灵敏度最高的光电探测器，其工作原理为：由光电效应引起光子撞击PMT的光电阴极，产生光电子，然后通过1000-1500V高压场加速，经过5-10个倍增极，光电子倍增10^5-10^6后由阳极接受从而转化为电流或电压信号。由于其倍增过程，相比于光电二极管、CCD、CMOS等光电传感器，PMT灵敏度有10000倍以上的提升。但由于PMT为单点探测器，不能直接替代现有光谱仪中CCD/CMOS阵列探测器从而直接进行光谱探测。

采用一个狭缝（例如20um*1mm）狭缝后放置PMT，二者结合便可以替代

CCD/CMOS阵列探测器的一个像元，再将二者置于一个超高精度纳米位移平台之上（重复定位精度50nm），通过纳米位移平台的移动便可以替代CCD/CMOS阵列探测器从而实现光谱测量。针对不通的应用场景，通过调整狭缝尺寸便可以在高分辨率和高灵敏度之间进行取舍。

采用PMT、狭缝、纳米位移平台相结合的方式作为探测模块：如图3所示，将PMT和狭缝固定在纳米位移平台上，通过纳米位移平台的移动进行光谱扫描，获取超高灵敏度的光谱谱线。该方法被应用于公司产品“激光拉曼光谱分析仪”、“激光拉曼光谱远程分析仪”，同时为微量物质和气体光谱分析仪器的广泛使用提供了可能。

图3

（2）自主研发的内嵌式激光光谱探测模块，将激光锁定在反射共心腔内部，待测样品位于激光器内部，通过多次反射将激光聚焦于探测点，从而可以将共心腔内探测点处激光光谱信号强度增强100倍以上

目前，拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等激光光谱技术已广泛应用于分子和原子的定性和定量分析，而针对微量物质的分析受限于信号强度，因而对于微弱信号增强方法的需求越来越迫切。由于信号光强度与激发光功率成正比，提高激发光功率是增加信号强度的有效方法。但增加激光功率意味着更大的激光器体积和重量，散热难度的增加，以及更高的成本。将激光锁定在激光器内部，通过激光器反射共心腔多次反射聚焦于样品是有效提升拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等信号强度的另一种可能。本发明提出了内嵌式激光光谱探测模块，将激光锁定在反射共心腔内部，待测样品位于激光器内部，通过多次反射将激光聚焦于探测点，从而可以将共心腔内探测点处激光光谱信号强度增强100倍以上。探测点处产生的激光光谱信号可沿共心腔轴向或垂直于轴向进行探测。

图4

（3）自主研发深紫外远程拉曼光谱激发收集模块，结合深紫外纳秒脉冲激光、卡塞格林望远镜、高精度云台、超高灵敏度光谱仪，实现远程非接触式各类物质成分分析，同时不受日光干扰；

深紫外激光拉曼光谱远程分析仪由四部分组成：深紫外超短脉冲激光器为核心的激光发射系统；卡塞格林望远镜和二维高精度云台组成的信号光接收系统；自主研发的超高灵敏度光谱仪；基于计算机的云台控制和光谱分析系统。

深紫外远程拉曼光谱激发收集模块核心光学设计如图6所示，266/213nm高功率深紫外超短脉冲激光器产生的激光经反射后射向目标点，激发目标位置各种物质产生拉曼光后被卡塞格林望远镜收集并聚焦，经过透镜准之后分为两路：一路经二向色镜反射后聚焦于阵列探测器，用于目标位置成像并探测后向散射的激光；另一路透射二向色镜后经滤光片滤除激光，再由透镜聚焦于针孔或狭缝用于滤除背景光，此后经过球面反射镜反射准直，再由光栅分光后由另一片凹面反射镜将不同波长的拉曼光聚焦于探测器像平面上不同位置。通过分析目标位置的拉曼光谱便可以对目标位置物质分布进行定性和定量分析。采用213nm皮秒脉冲激光替代266nm激光，从而排除日光和荧光干扰，大幅提升动态范围。

图5

（4）自主研发的电路模块和嵌入式软件、光谱分析算法和应用程序。

具有自主开发基于FPGA、CPLD、STM32芯片的电路和嵌入式软件程序能力，针对各类激光器和CCD、CMOS、PMT等探测器驱动控制电路。谱析自主开发的适用于滨松S11639的CMOS控制板如图7所示，核心功能包括时钟脉冲周期调节、积分时间调节、ADC数模转换、通过TYPE-C接口的数据传输等。

图6 CMOS探测器控制板

核心光谱分析算法架构能力，包括去噪声、数据平滑、光谱去基线、特征峰校准、特征峰分析等功能在内的核心算法架构能力。以及基于手机和计算机的应用程序架构能力，能够自主开发针对“激光拉曼光谱分析仪”的核心算法及应用程序。图8为“激光拉曼光谱分析仪”基于windows系统的应用程序界面示例。

图7

三、检测原理

1928年C.V.拉曼实验发现，光与物质分子相互作用时一部分光子能量发生变化，这一现象称为拉曼散射。如图1所示，氧气分子的两个氧原子之间的相互作用类似于通过弹簧连接的两个小球，两者往复振动。不同之处在于，氧气分子的各个振动能级是分立的，类似于楼梯的台阶，每级台阶间能量差为Δ。对于不同分子的不同振动模式，Δ是不同的，因而测定出Δ便能推断出是哪一种分子的哪个振动模式。当激光聚焦在空气中时，激光光子与氧气分子发生相互作用，一部分激光光子能量减少Δ，这部分能量Δ被氧气分子吸收，振动能量上了一个台阶。能量减少的这一小部分光子被称为拉曼光，我们通过测量拉曼光谱中峰的横坐标Δ便可以确定这是氧气分子的振动，同时，峰值的纵坐标即光强正比于氧气的浓度。如同一个指纹对应于一个人，一个拉曼特征峰对应于一种分子。

四、激光拉曼气体分析仪技术参数

激光拉曼气体分析仪可测气体列表（仅列出部分常用气体）