CN101089609A - 多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法 - Google Patents

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陈东
张玉钧
崔小娟
刘建国
阚瑞峰
王敏
夏惠
何莹
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Abstract

本发明公开了一种基于红外激光吸收光谱法的多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法，包括近红外和中红外两个谱段的高分辨激光光谱测量子系统，近红外光谱系统由ECDL激光器，激光器电源，气体吸收池，近红外光电探测器，数据采集处理电路的工控计算组成。中红外光谱系统由ECDL激光器，DFB激光器、激光器电源、1/2波片，合束镜，消色差胶合镜，多极化光栅周期PPLN非线性晶体，CaF2透镜，Ge滤波片，非球面镜，装有CaF2窗片的气体吸收池，热电制冷MCT光电探测器，数据采集处理电路的工控计算组成。克服了传统红外高分辨激光光谱系统调谐范围窄、无法室温下工作的缺点，真正实现了气体的多组分、全谱带的光谱检测。

Description

多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法
技术领域
本发明属于一种气体的激光光谱测量系统，具体是一种基于近红外宽调谐外腔调谐半导体激光器和非线性光学差频变换方法的多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种具有高灵敏、高分辨、快速响应特点的痕量气体检测技术，由于其独特的优势在许多领域有着潜在的重要应用价值，是近年来非常热门的研究领域之一。主要的应用有(1)获得分子结构的信息，(2)研究其动力学过程，(3)痕量气体监测分析。可调谐红外激光光谱学具有高灵敏度、实时、动态、多组分同时测量的优点。
可调谐红外激光光谱学按照激光器波段可分为近红外光谱和中红外光谱。近红外波段工作在0.78-2.6μm的近红外区，相应于某些分子的“泛频”谱带。痕量分子在这些谱带的吸收系数比中红外的基频吸收一般要低2-3数量级。尽管如此，由III-V族化合物构成的半导体激光由于在通信和电子工业元件方面的广泛应用，其价格相对便宜，质量、性能和输出功率都相当优越；更为突出的是它们能够在接近室温下工作。在痕量气体的检测中，依据不同的测量范围，采用直接吸收、波长调制和频率调制光谱等检测方法实现痕量气体的检测。检测灵敏度可以达到ppm，甚至到达ppb的的检测水平，可以满足一些具体环境对气体浓度连续检测的需要。典型的应用如环境监测中温室气体CH4、CO2检测，有毒有害气体H2S、NH3、NO2检测，工业过程控制中CO、H2O、O2浓度检测等。
中红外波段工作在3-13μm的“指纹”区，是气体分子基带吸收。这个波段分子吸收线的强度比近红外波段要大几个量级。如：CH4在3.3um处的吸收强度是其在1.6um处的163倍，理论检测下限可达0.9ppb/m；CO在4.6um处的吸收强度是其在2.3um处的128倍，理论检测可达0.3ppb/m；N2O在4.5um处的吸收是其在1.9um处吸收的将近2万倍，理论检测限可达ppb至ppt量级。中红外波段的激光器主要有用IV-VI族化合物材料制作的铅盐激光器以及近年来发展的量子级联激光器(QCL)。利用中红外波段激光器可以实现对痕量气体的超高灵敏检测。包括对CH4、CO、HCL、HCHO、H2O2、H2O、HNO3、NH3、NO、NO2、N2O、O3、OCS和SO2等痕量气体的实时测量。
由于半导体激光具有极高的单色性和相干性，极好的方向性，极高的功率密度，可以快速调谐等优点，特别是近红外半导体激光器与中红外半导体激光器的相互补充大大促进了红外激光光谱技术的发展，扩大了它的应用范围。但传统的半导体激光器还存在一些不足，限制了半导体激光吸收光谱技术的具体应用。主要是：(1)单台半导体激光器的输出波长调谐范围有限，一般只有3～5nm，一台激光器通常只能检测一种气体有限几条吸收线，不能满足多组分以及需要对气体分子完整吸收谱带检测的需要。(2)中红外光谱区的半导体激光器包括铅盐和量子级联激光器需要工作在低温条件下，一般需要液氮制冷，无法满足现场检测的需要。基于以上原因，发展一种具有室温下工作的多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统在理论和实践上都有重要意义。
发明内容
本发明提出一种室温工作的多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统和方法。利用外腔调谐半导体激光器和非线性差频转换方法实现近红外和中红外谱段宽调谐范围连续激光光源的输出，能够实现多组分、全谱带的气体高分辨激光吸收光谱测量。
本发明的技术方案如下：
多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统，其特征在于光学平台上安装有DFB激光器(22)和ECDL半导体激光器(23)，DFB激光器(22)后的光路中依次安装有1/2波片(21)，合束镜(27)，聚焦透镜(28)，两端通光的晶体加热炉(17)，其中装有PPLN非线性晶体(29)，CaF2聚焦透镜(16)，Ge滤波片(15)，非球面反射镜(12)；ECDL半导体激光器(23)后的光路中安装有可转动反射镜(24)，1/2波片(25)，可转动反射镜(26)，反射镜(30)，反射镜(30)的反射光进入合束镜(27)后合束反射进入聚焦透镜(28)；可转动反射镜(24)的反射光路中依次安装有聚焦透镜(31)，光纤耦合器(32)，并通过光纤接入波长计(4)；可转动反射镜(26)的反射光路中依次安装有气体吸收池(33)，聚焦透镜(34)，近红外InGaAs PIN光电探测器(7)，近红外InGaAs PIN光电探测器(7)的输出信号接入到工控计算机(3)；非球面反射镜(12)后的反射光路中依次安装有气体吸收池(11)，非球面反射镜(10)，非球面反射镜(10)的反射光由中红外热电制冷MCT光电探测器(9)接收，中红外热电制冷MCT光电探测器(9)的输出信号接入到工控计算机(3)。
多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量方法，其特征在于包括：
(1)、近红外激光光谱测量：采用ECDL半导体激光器作为近红外连续调谐激光光源，波长调谐范围为1.49-1.58μm，发出的近红外激光透射过充有待测气体的气体吸收池后，出射到InGaAs PIN光电探测器的探测面，InGaAs PIN光电探测器的输出信号输送到工控计算机处理；
(2)、采用前述(1)中的ECDL半导体激光器发出的近红外激光，波长调谐范围为1.49-1.58μm，与DFB激光器发出的中红外激光，输出波长为1.06μm，分别经过1/2波片将偏振方向旋转到垂直方向以满足在非线性PPLN非线性晶体中准相位匹配差频产生过程e+e→e的匹配关系，并合束后，透射过放置于加热炉中的的多光栅周期PPLN非线性晶体，加热炉工作温度为室温到200℃，非线性PPLN非线性晶体和加热炉可以横向平移以选择适当的极化光栅周期，结合工作温度调谐以满足准相位匹配的条件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分别是泵浦、信号、空闲光波矢量，km为非线性PPLN非线性晶体的周期性极化引入的附加相移，差频产生的中红外光由CaF2聚焦透镜收集，并由Ge滤波片滤除非线性转换剩余的近红外光束后，由非球面反射镜转换为平行光入射由CaF2窗片的气体吸收池，透过该气体吸收池的光束由另一非球面反射镜聚焦到MCT光电探测器的光敏面上，输出中红外吸收光谱信号输送到工控计算机，进行数据采集和处理。
本发明利用一种新型的具有宽连续调谐范围的半导体激光器--外腔式可调谐半导体激光器(ECDL)作为近红外光谱区的高分辨激光光源，并结合分布反馈式(DFB)半导体激光器，通过准相位匹配(QPM)的非线性光学差频变换(DFG)实现中红外相干光输出，实现了在近红外1.49～1.58um和中红外3.2～3.7um两个光谱区的连续调谐输出，采用扫描积分吸收光谱技术，在近红外和中红外两个光谱区对气体的进行高灵敏、高分辨的光谱检测。
外腔式可调谐半导体激光器(ECDL)作为近红外光谱区是利用外加光栅谐振腔实现激光输出的选频和反馈，通过控制光栅的倾斜角度就可以调节激光器的输出波长，连续波长调谐范围可以达到几十nm以上，并且具有很高的单色性。但目前外腔式半导体激光器还只限于在近红外波段。非线性光学频率转换方法，特别是差频产生方法，是获得室温下工作、宽调谐范围、窄线宽特点中红外相干光源的一种有效途径。与传统的中红外激光光源相比，差频产生相干光源系统具有室温工作，输出光束质量好的优点。它是利用两个近红外激光在非线性晶体中二阶非线性频率下转换作用实现中红外连续相干光源的输出。近些年来，随着准相位匹配(QPM)技术、非线性周期极化晶体技术的发展，使非线性光学差频转换的效率得以大大提高，利用近红外激光通过非线性差频产生实现中红外输出的方法已经具备实用化的可能。本发明利用近红外宽调谐连续输出半导体激光器，结合准相位匹配的非线性差频产生技术，构建室温工作的多谱段气体吸收光谱检测系统，克服了传统红外高分辨激光光谱系统调谐范围窄、无法室温下工作的缺点，真正实现了气体的多组分、全谱带的光谱测量。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
参见图1
图中标号：1、光学平台2、工控机柜3、工控计算机4、波长计5、ECDL激光器电源控制器6、DFB激光器电源控制器7、近红外InGaAs PIN光电探测器8、直流电源9、中红外热电制冷MCT光电探测器10、非球面反射镜11、气体吸收池12、非球面反射镜13、光纤准直透镜14、635nm可见光准直激光器15、Ge滤波片16、CaF2聚焦透镜17、晶体加热炉18、晶体加热炉温度控制器19、光纤准直透镜20、635nm可见准直激光器21、1/2波片22、DFB激光器23、ECDL激光器24、可转动反射镜25、1/2波片26、可转动反射镜27、合束镜28、胶合聚焦透镜29、PPLN非线性晶体30、反射镜31、聚焦透镜32、光纤耦合器33、气体吸收池34、聚焦透镜。上述所涉及的部件中，3-6安装在工控机柜2内，其余均安装在光学平台1上。
本发明采用ECDL半导体激光器23作为近红外连续调谐激光光源，波长调谐范围为1.49-1.58μm，输出功率50mW，用于实现对分子近红外光谱区进行高灵敏、高分辨检测。同时，ECDL半导体激光器23又作为差频产生中红外系统的信号激光光源，通过与作为信号激光光源的DFB激光器22在晶体PPLN中的非线性光学差频混频，产生3.2-3.7μm中红外连续调谐激光输出。ECDL激光器23的工作模式由可转动反射镜26进行切换，当反射镜26处于b位置时系统处于近红外光谱区检测状态，ECDL激光器23输出光束经反射镜26反射后进入充满检测样品气体的气体吸收池33，透射光束由聚焦透镜聚焦到近红外光电探测器7的光敏面上，探测信号经同轴电缆传输到工控计算机3，由计算机对光谱信号进行数据采集和处理。在近红外光谱区光谱检测模式下，工控计算机3发出的控制信号通过ECDL激光器电源控制器5的RS232串行数据端口对激光输出波长进行扫描。当可转动反射镜26处于a位置时，系统处于中红外光谱段检测状态。差频转换的泵浦激光光源由DFB激光器22提供，DFB激光器22的输出波长为1.06μm，输出功率为100mW。DFB激光器22和ECDL激光器23输出线偏振光束分别由1/2波片21和25将偏振方向旋转到垂直方向以满足在非线性PPLN中准相位匹配差频产生过程e+e→e的匹配关系，由合束镜28对两光束进行合束；合束镜一面镀有1.06μm增透膜，另一面镀有1.48～1.59μm高反射率介质膜。合束后的光束由消色差胶合透镜28聚焦到加热炉17中的多光栅周期非线性极化PPLN非线性晶体29的通光面上。加热炉的温度可以由加热炉控制器18设置适当的工作温度，加热炉工作温度为室温到200℃。PPLN非线性晶体29和加热炉17可以横向平移以选择适当的极化光栅周期，结合工作温度调谐以满足准相位匹配的条件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分别是泵浦、信号、空闲光波矢量，km为非线性晶体的周期性极化引入的附加相移。差频产生的中红外光由CaF2聚焦透镜16收集，并由中红外增透镀膜的Ge滤波片15滤除非线性转换剩余的近红外光束。差频产生的中红外光经Ge滤波片15后由非球面反射镜12转换为平行光入射由CaF2窗片的气体吸收池11，透过气体吸收池11的光束由非球面反射镜10聚焦到MCT光电探测器的光敏面上，探测器中红外吸收光谱信号通过同轴电缆送工控计算机，由计算机进行数据采集和处理。在中红外差频工作模式下，是利用DFB激光器快速波长调谐特性，通过在DFB激光器驱动电流上叠加扫描和调制电流信号实现DFB激光输出波长的扫描和调制，进而实现中红外差频输出光波波长的扫描和调制；扫描和调制信号由工控计算机产生，作用在DFB激光控制器的调制信号输入端。ECDL激光器的输出波长由波长计4进行定标，当可转动反射镜24处于位置a时，系统处于气体吸收光谱检测状态，可转动反射镜24处于位置b时，反射光束先利用聚焦透镜31和光纤耦合器32耦合入单模光纤，通过光纤将光束送波长计4进行波长定标。635nm可见准直激光器14和20用于系统的准直。

Claims (2)

1、多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量系统，其特征在于光学平台上安装有DFB激光器(22)和ECDL半导体激光器(23)，DFB激光器(22)后的光路中依次安装有1/2波片(21)，合束镜(27)，聚焦透镜(28)，两端通光的晶体加热炉(17)，其中装有PPLN非线性晶体(29)，CaF2聚焦透镜(16)，Ge滤波片(15)，非球面反射镜(12)；ECDL半导体激光器(23)后的光路中安装有可转动反射镜(24)，1/2波片(25)，可转动反射镜(26)，反射镜(30)，反射镜(30)的反射光进入合束镜(27)后合束反射进入聚焦透镜(28)；可转动反射镜(24)的反射光路中依次安装有聚焦透镜(31)，光纤耦合器(32)，并通过光纤接入波长计(4)；可转动反射镜(26)的反射光路中依次安装有气体吸收池(33)，聚焦透镜(34)，近红外InGaAs PIN光电探测器(7)，近红外InGaAs PIN光电探测器(7)的输出信号接入到工控计算机(3)；非球面反射镜(12)后的反射光路中依次安装有气体吸收池(11)，非球面反射镜(10)，非球面反射镜(10)的反射光由中红外热电制冷MCT光电探测器(9)接收，中红外热电制冷MCT光电探测器(9)的输出信号接入到工控计算机(3)。
2、多谱段连续调谐高分辨红外激光光谱测量方法，其特征在于包括：
(1)、近红外激光光谱测量：采用ECDL半导体激光器作为近红外连续调谐激光光源，波长调谐范围为1.49-1.58μm，发出的近红外激光透射过充有待测气体的气体吸收池后，出射到InGaAs PIN光电探测器的探测面，InGaAs PIN光电探测器的输出信号输送到工控计算机处理；
(2)、采用前述(1)中的ECDL半导体激光器发出的近红外激光，波长调谐范围为1.49-1.58μm，与DFB激光器发出的中红外激光，输出波长为1.06μm，分别经过1/2波片将偏振方向旋转到垂直方向以满足在非线性PPLN非线性晶体中准相位匹配差频产生过程e+e→e的匹配关系，并合束后，透射过放置于加热炉中的的多光栅周期PPLN非线性晶体，加热炉工作温度为室温到200℃，非线性PPLN非线性晶体和加热炉可以横向平移以选择适当的极化光栅周期，结合工作温度调谐以满足准相位匹配的条件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分别是泵浦、信号、空闲光波矢量，km为非线性PPLN非线性晶体的周期性极化引入的附加相移，差频产生的中红外光由CaF2聚焦透镜收集，并由Ge滤波片滤除非线性转换剩余的近红外光束后，由非球面反射镜转换为平行光入射由CaF2窗片的气体吸收池，透过该气体吸收池的光束由另一非球面反射镜聚焦到MCT光电探测器的光敏面上，输出中红外吸收光谱信号输送到工控计算机，进行数据采集和处理。
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