CN102967370A - 具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪，它包括光源、声光可调滤光器单色光调制组件、光电检测器和相关检测电路；声光可调滤光器单色光调制组件包括声光可调滤光器、单片机、第一数字频率合成器、第二数字频率合成器和功率放大电路，单片机分别与两数字频率合成器连接，第一数字频率合成器输出方波信号，该方波信号作为参考信号输入到相关检测电路中，同时作为调制信号输入至第二数字频率合成器，第二数字频率合成器将调制后的射频信号输出给声光可调滤光器。本发明可提高系统的信噪比从500:1至2500:1；从光路、电路和结构上降低了系统的设计复杂度，缩小了系统的光学尺寸，有利于产品小型化设计。

Description

具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种光谱分析用的单色光调制技术，尤其是声光可调滤光器（AOTF）光谱分析仪，属于光电技术领域。 

  

背景技术

声光可调滤光器（AOTF）光谱分析仪，主要由光源、AOTF单色光调制组件、光电检测电路、相关检测电路、模数转换电路和数据处理模块等组成。 

声光可调滤光器光谱分析仪工作原理：声光可调滤光器光谱分析仪的核心是声光可调滤光器，它是一种基于声光效应原理，通过改变射频驱动频率来选择光波波长的分光元件，如图1所示。 

当光源通过声光可调滤光器单色光调制组件产生单色光脉冲，光脉冲通过待测样品时，样品根据其自身的分子构成选择性地吸收特定波长的光，使入射光减弱，可以将减弱的程度用吸光度A表示，A与被测样品中的待测元素含量成正比。不同分子结构其对应吸收谱线也不同，通过对吸收谱线的分析，可以得到被测样品的分子结构和成分组成。 

因为单色光的能量较微弱，仅有几μW，经过样品后接收到的信号为极弱；而仪器噪声包括背景环境噪声、光源噪声、电噪声和射频干扰等，某些时候系统噪声远大于接收信号，从而将信号淹没在噪声下，造成信号无法检测读出，因此，如何提高光谱分析仪的信噪比是仪器制造中的关键技术。 

为了提高系统信噪比，现有技术采用的相关检测技术需要输入两个信号，一个是参考信号R_in，另一个是待检测信号SS_in。两个信号为同频同相位但不同幅度。 

目前光谱仪相关检测输入信号的产生有两种方式： 

一种是将斩波器置于光源与分光元件之间或分光元件与样品之间，斩波器由电机控制，光通过斩波器生成周期性的脉冲光，脉冲光透射样品后由探测器接收转换可得到SS_in；同时根据斩波器转速计算或检测生成脉冲信号，作为参考信号R_in。

另一种是直接对光源进行调制，由脉冲信号R_in控制光源的开关，得到调制光信号，最后可得到SS_in。 

上述两种方法中前者的R_in是间接获得，由此而产生的误差较大；后者对光源调制，容易造成光源的不稳定，波动较大，对结果影响极大，已很少采用。 

  

发明内容

针对现有光谱分析仪存在稳定性差和准确性差的不足，本发明提供一种具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪，本光谱分析仪直接采用电调制分光器技术，可以提高仪器的稳定性和准确性。 

本发明实现上述目的的技术解决方案如下： 

具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪，它包括光源、声光可调滤光器单色光调制组件、光电检测器、相关检测电路、模数转换电路和数据处理模块；所述声光可调滤光器单色光调制组件包括声光可调滤光器、单片机、第一数字频率合成器、第二数字频率合成器和功率放大电路，所述单片机分别与第一数字频率合成器和第二数字频率合成器连接，由单片机向第一数字频率合成器输出频率控制信号使第一数字频率合成器输出所需频率的方波信号，该方波信号一方面作为参考信号输入到相关检测电路中，另一方面作为调制信号输入至第二数字频率合成器的调制输入端，单片机向第二数字频率合成器输出模式设定信号使第二数字频率合成器在设定的模式下工作并输出调制后的射频信号；第二数字频率合成器通过功率放大电路将调制后的射频信号输出给声光可调滤光器，声光可调滤光器由此将光源的入射光衍射输出为对应波长的单色光。

相比现有技术，本发明具有如下优点： 

传统方法实现光调制功能，一种是间接方式，有误差，另一种直接控制方式，时间慢而且不稳定对测量结果影响较大。本发明直接控制分光元件的输出，通过电平调制，速度快，稳定性好，调制信号无须任何处理可直接作为参考信号输入到相关检测电路中。本发明可提高系统的信噪比从500:1至2500:1；与使用斩波器相比，从光路、电路和结构上降低了系统的设计复杂度，缩小了系统的光学尺寸，有利于产品小型化设计。

  

附图说明

图1-声光可调滤光器射频驱动频率与衍射单色光波长的关系曲线图。 

图2-本发明原理框图。 

图3-本发明声光可调滤光器单色光调制组件框图。 

图4-本发明调制波形说明图。 

  

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 

如图2和图3所示，本发明具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪，它包括光源、声光可调滤光器单色光调制组件、光电检测器、相关检测电路、模数转换电路和数据处理模块。所述声光可调滤光器单色光调制组件包括声光可调滤光器AOTF、单片机MCU、数字频率合成器DDS和功率放大电路，在MCU内部烧录有控制程序；数字频率合成器为两个，分别为第一数字频率合成器和第二数字频率合成器。其中，单片机分别与第一数字频率合成器和第二数字频率合成器连接，由单片机向第一数字频率合成器输出频率控制信号使第一数字频率合成器输出所需频率的方波信号，该方波信号一方面作为参考信号输入到相关检测电路中，另一方面作为调制信号输入至第二数字频率合成器的调制输入端；单片机向第二数字频率合成器输出模式设定信号使第二数字频率合成器在设定的模式下工作，在第二数字频率合成器内部完成射频信号调制并输出调制后的射频信号。第二数字频率合成器通过功率放大电路将调制后的射频信号输出给声光可调滤光器，该射频信号驱动声光可调滤光器将光源的入射光衍射输出为对应波长的单色光脉冲。 

单色光调制技术的原理是：当光源通过声光可调滤光器AOTF时，通过改变声光可调滤光器AOTF射频驱动频率可以实现波长选择的单色光，将射频驱动信号用脉冲信号R_in调制后，声光可调滤光器输出的是调制后的单色光，最后得到SS_in，信号SS_in与R_in同频同相位但幅度不同，满足相关运算要求，最终实现相关检测。 

上电工作时，单片机MCU向第一数字频率合成器（型号AD9851）中写入控制字以得到所需频率的方波信号SQ，以SQ作为调制信号M_S和参考信号R_in，调制信号M_S输出至第二数字频率合成器（型号AD9911）功能端口P1。单片机MCU对第二数字频率合成器进行射频扫描（简称扫频）输出设置，根据光谱范围和分辨率设定扫频带宽和步进，同时将第二数字频率合成器工作模式设置为内部幅度调制方式，调制输入端为P1。调制信号M_S在第二数字频率合成器内部对射频信号进行幅度调制，输出调制的射频信号Out_S。 

声光可调滤光器AOTF工作时根据射频驱动信号频率的不同，衍射输出相对应波长的单色光。因为Out_S是已调制的射频信号，所以声光可调滤光器AOTF输出的单色光也是被调制的，调制频率与M_S信号一致。调制单色光透射样品后，携带样品信息被光电检测器接收转换为电脉冲信号SS_in。信号SS_in与R_in同频同相位但幅度不同，满足相关运算要求。SS_in和R_in同时输入到相关检测电路中，进行相关运算后得到相关结果。根据相关运算法则，随机信号被消掉，最后得到携带样品信息的直流信号，直流电平即样品在对应波长的吸收强度。 

声光可调滤光器单色光调制技术的核心是通过单片机设置数字频率合成器DDS生成调制后的射频信号Out_S，经功放后驱动声光可调滤光器工作，将通过声光可调滤光器的复合光根据射频频率分成单色光并调制，以实现获得脉冲单色光信号的目的。 

图4是本发明调制波形说明图。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (3)

1.具有声光可调滤光器单色光调制技术的光谱分析仪，它包括光源、声光可调滤光器单色光调制组件、光电检测器、相关检测电路、模数转换电路和数据处理模块；其特征在于：所述声光可调滤光器单色光调制组件包括声光可调滤光器、单片机、第一数字频率合成器、第二数字频率合成器和功率放大电路，所述单片机分别与第一数字频率合成器和第二数字频率合成器连接，由单片机向第一数字频率合成器输出频率控制信号使第一数字频率合成器输出所需频率的方波信号，该方波信号一方面作为参考信号输入到相关检测电路中，另一方面作为调制信号输入至第二数字频率合成器的调制输入端，单片机向第二数字频率合成器输出模式设定信号使第二数字频率合成器在设定的模式下工作并输出调制后的射频信号；第二数字频率合成器通过功率放大电路将调制后的射频信号输出给声光可调滤光器，声光可调滤光器由此将光源的入射光衍射输出为对应波长的单色光。

2.根据权利要求1所述的光谱分析仪，其特征在于：所述单片机向第二数字频率合成器输出的模式设定信号包括射频扫描输出设置信号和工作模式设置信号。

3.根据权利要求1所述的光谱分析仪，其特征在于：所述第一数字频率合成器型号为AD9851；第二数字频率合成器型号为AD9911，第二数字频率合成器工作模式为内部幅度调制方式。

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