CN103712961A - 用于光热检测的自动平衡光电探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置及其探测方法，该探测装置包括、平衡光电探测器、直流信号采集处理装置、自动控制电路、探测光分光装置、探测光功率调整装置。本发明还提供一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置的探测方法。本发明在光热检测中引入平衡光电探测器，并通过对平衡光电探测器输出的直流背景信号进行实时监测来自动调节探测光路系统，从而实现平衡光电探测器的自动调平衡，改善了光热检测的信噪比，提高了光热检测的灵敏度，有效抑制了探测光源本身波动所造成的噪声干扰和外界因素对测量的影响。

Description

用于光热检测的自动平衡光电探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体是一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置及其探测方法。

 

背景技术

平衡光电探测（Balanced photo detection）是一种具有很高信噪比的光电探测技术，其基本原理如图1所示，将两个相同的光电探测器相连，输出信号是这两个光电探测器所产生的光电流的差值。在使用该技术时，通常是首先通过适当调节照射到各个光电探测器上的光强，以使得这两个光电探测器上所产生的光电流互相抵消，达到“平衡”，即有效的直流输出信号为零，直到所要测量的信号会引起其中一路或是两路光发生变化，在平衡光电探测器上产生一个有效的“净”信号。

这样的探测结构可以抑制所使用的测量光源本身的噪声，在需要从强直流背景信号中测量出相当弱的调制的交流信号的应用中，有助于提高测量能力。在诸多的平衡光电探测器的应用中，为达到好的探测效果，需要在初始时使探测器处于“平衡”状态，即探测器的有效的直流输出信号为零，并且在整个探测过程中始终保持这种“平衡”状态。但是，在实际检测过程中，由于很多外界因素的影响，比如探测光源本身的波动、外界环境的变化等，会导致这种平衡状态被破坏，从而影响探测的稳定性和可靠性。因此，在很多检测应用中，需要经常通过人工调节来保持探测器的“平衡”状态，这样大大增加了探测过程的复杂性，不利于这类探测技术的推广应用。

光热技术（Photo thermal technique）因为其高灵敏度、高分辨率、非接触式等特点，常被用来对各类材料的光热特性、特别是透明光学材料的微弱吸收特性进行分析和检测。

光热技术一般多采用激光作为光源，因此有时也称为激光诱导光热技术（Laser-induced photo thermal technique），该技术的基本原理是：用一束较强的激光（通常称为“泵浦光”）去照射待测材料，材料会因吸收光能量而导致局部温度升高，激发光热效应，引起诸如折射率变化、产生热形变等现象；再用另一束较弱的激光（通常称为“探测光”）经过泵浦光在材料上的照射区域，由于泵浦光而引起的光热效应，探测光束的光束特性会发生相应的变化，通过对这种变化的检测来实现对光热效应的检测，而光热效应与材料本身的吸收特性是相关的，因此通过对光热效应的检测可以获得材料的吸收特性。常见的有光热偏转技术，即光热效应引起探测光传播方向发生变化；光热透镜技术，即光热效应引起探测光产生新增的会聚或发散，类似增加了一个“透镜”。

在光热检测中，光热效应所引起的探测光束特性的变化量通常都比较小，探测过程是需要从一个较强的背景信号（即探测光束）中去测量一个较弱的变化量。这个较弱的变化量往往比外界噪声和背景信号本身的波动噪声还低，因此对其进行准确测量是一个很大的挑战。为解决这个问题，常采用一个交流弱信号检测装置来探测目标信号，即对泵浦光进行周期性调制，并以该调制信号作为交流弱信号检测单元的参考信号。采用这种方法，大大抑制了外部的干扰噪声。但是，该方法在应用中还存在问题，并未有效消除背景信号本身的噪声，此外，为保证进行光热测量时具有足够的检测灵敏度，往往采用稳定性很高的探测激光器，这类激光器价格昂贵，不利于光热技术的推广应用。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现自动调平衡的用于光热检测的自动平衡光电探测装置及其探测方法，有效改善光热检测的信噪比，提高光热检测的灵敏度。  

本发明的技术方案为：

一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置，包括平衡光电探测器、探测光分光装置、探测光功率调整装置、直流信号采集处理装置、自动控制电路和交流弱信号检测装置；所述探测光分光装置设置在探测光源的输出光路上，用于将探测光源输出的探测光束分为两束，其中一束经过被测样品后照射到平衡光电探测器的一个探头上，另一束经过探测光功率调整装置后照射到平衡光电探测器的另一个探头上；所述平衡光电探测器的输出端分别与直流信号采集处理装置和交流弱信号检测装置的输入端连接，直流信号采集处理装置的输出端与自动控制电路的输入端连接，所述自动控制电路的输出端与探测光功率调整装置的输入端连接。

所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置，所述直流信号采集处理装置包括信号采集器、滤波器、增益放大器、模数转换器和数据处理器。

所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置，所述交流弱信号检测装置具体为锁相放大器。

所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置的探测方法，包括以下步骤：

（1）探测光分光装置将探测光源输出的探测光束分为两束，其中一束经过被测样品后由平衡光电探测器的一个探头接收测量，另一束经过探测光功率调整装置后由平衡光电探测器的另一个探头接收测量；

（2）交流弱信号检测装置对平衡光电探测器输出的交流信号进行接收检测，直流信号采集处理装置对平衡光电探测器输出的直流信号进行采集处理，若平衡光电探测器处于不平衡状态，则发出控制指令到自动控制电路，自动控制电路控制探测光功率调整装置改变探测光束的功率，直到平衡光电探测器达到平衡状态。 

所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置的探测方法，所述步骤（2）中，直流信号采集处理装置对平衡光电探测器输出的直流信号进行采集处理，具体包括：信号采集器对平衡光电探测器输出的直流模拟信号进行采样，采样信号经滤波器滤波和增益放大器放大后，由模数转换器将其转换成数字信号，并输入数据处理器，由数据处理器将采样值与平衡光电探测器处于平衡状态的预设值相比较，判断采样值是否偏离预设值，即判断平衡光电探测器是否处于不平衡状态。

本发明在光热检测中引入平衡光电探测器，并通过对平衡光电探测器输出的直流背景信号进行实时监测来自动调节探测光路系统，从而实现平衡光电探测器的自动调平衡，改善了光热检测的信噪比，提高了光热检测的灵敏度，有效抑制了探测光源本身波动所造成的噪声干扰和外界因素对测量的影响，不需要采用价格昂贵的探测激光器，也不需要人工调平衡，简化了检测过程，有利于光热检测技术的推广应用。

附图说明

图1是平衡光电探测器的结构示意图；

图2是本发明具体实施例的装置结构示意图；

图3是本发明所述的自动平衡光电探测的原理示意图；

图4是本发明所述的自动调平衡的控制过程示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图2所示，一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置，包括泵浦光源1、泵浦光调制装置2、泵浦光分光装置3、泵浦光功率探测装置4、泵浦光聚焦透镜5、被测样品6、泵浦光吸收装置7、探测光源8、探测光第一分光装置9、探测光第一高反射镜10、探测光第一聚焦透镜11、探测光第二聚焦透镜12、探测光第二高反射镜13、探测光滤光装置14、探测光第二分光装置15、探测光功率探测装置16、空间滤波器17、平衡光电探测器18、锁相放大器19、探测光第三高反射镜20、探测光功率调整装置21、直流信号采集处理装置22和自动控制电路23。 

泵浦光调制装置2可采用光调制器或者斩波器，泵浦光分光装置3、探测光第一分光装置9和探测光第二分光装置15可采用分光片或者分光棱镜，泵浦光功率探测装置4和探测光功率探测装置16可采用功率计或者功率探测器，探测光滤光装置14可采用滤光片，探测光功率调整装置21可采用衰减片，直流信号采集处理装置22包括信号采集器、滤波器、增益放大器、模数转换器和数据处理器。

由泵浦光源1发出的泵浦光束经过泵浦光调制装置2后光强受到调制；调制后的泵浦光束经过泵浦光分光装置3被分成两束，其中一束进入到泵浦光功率探测装置4，用于对泵浦光的功率进行监测，另一束则由泵浦光聚焦透镜5聚焦到被测样品6上，用于激发光热效应，经过被测样品6的剩余的泵浦光由泵浦光吸收装置7吸收。

由探测光源8发出的探测光束经过探测光第一分光装置9后分为两束，其中一束经探测光第一高反射镜10后，由探测光第一聚焦透镜11聚焦到被测样品6上，与泵浦光照射的区域重合，经过被测样品6的探测光束依次经过探测光第二聚焦透镜12、探测光第二高反射镜13后，再经过探测光滤光装置14滤掉除探测光以外的其它波段的杂散光，经过探测光滤光装置14的探测光束由探测光第二分光装置15分为两束，其中一束进入到探测光功率探测装置16，用于对探测光的功率进行监测，另一束则经过空间滤波器17后由平衡光电探测器18上的一个探头进行探测；而经过探测光第一分光装置9后的另一束探测光束则经过探测光第三高反射镜20和探测光功率调整装置21后，由平衡光电探测器18上的另一个探头进行探测。平衡光电探测器18输出的交流信号由锁相放大器19接收检测，以泵浦光调制装置2的调制信号频率作为锁相放大器19的参考信号频率；而平衡光电探测器18输出的直流信号由直流信号采集处理装置22采集处理，并根据处理结果来驱动自动控制电路23去控制探测光功率调整装置21以实现平衡光电探测器18的平衡调节。

自动调平衡的过程如下：直流信号采集处理装置22通过其信号采集器对平衡光电探测器18输出的直流模拟信号进行采样，采样信号通过滤波网络、增益放大和模数转换后，输入数据处理器计算处理，数据处理器将采样值与平衡光电探测器18处于平衡状态时的预设值进行比较，当采样值偏离预设值时，即平衡光电探测器18处于不平衡状态，将进入自动调平衡，发出控制指令到自动控制电路23，自动控制电路23控制探测光功率调整装置21来改变探测光束的功率，直到采样值处于预设值范围内，平衡光电探测器18达到平衡状态。

本发明的工作原理：

如图3所示，探测光在照射到被测样品6之前，分为两束，一束经过被测样品6后由平衡光电探测器18的一个探头接收测量，另一束则经过探测光功率调整装置21后由平衡光电探测器18的另一个探头接收测量，通过探测光功率调整装置21调节来使平衡光电探测器18达到平衡状态。具体的实时自动调平衡过程如图4所示：平衡光电探测器18输出的模拟直流信号由直流信号采集处理装置22进行实时采集，并经过滤波网络、增益放大和模数转换，由数据处理器计算处理，与数据处理器中预设的平衡光电探测器18处于平衡状态的预设值做比较：当采样值偏离预设值时，即探测器处于不平衡状态，将进入自动调平衡程序，由数据处理器发出控制指令到自动控制电路23，控制探测光功率调整装置21来调节某一路探测光功率，直到采样值处于预设值范围内，平衡光电探测器18达到平衡状态。

采用平衡光电探测器来进行探测光的测量，平衡光电探测器输出的信号                                                

。通常情况下被测样品与探测光作用时，会引起一个微小交流信号，所以。一般测量时，使平衡光电探测器处于平衡状态，即

，有

。采用平衡光电探测器，可以有效地抑制探测光源本身波动所造成的噪声干扰。当探测光源有波动，输出信号

，因为，并且平衡光电探测器里的两个探头响应一致，所以有

 ，因此

 ，即探测光源本身的波动被抵消了，对测量结果没有影响。在测量过程中，由于外界因素的干扰，比如环境、温度等，平衡光电探测器会失去平衡状态，从而影响测量的信噪比。通过对平衡光电探测器输出的直流背景信号进行实时监测，并根据监测结果来自动调节探测光路系统以实现平衡光电探测器的自动调平衡，可以确保在整个测量过程中平衡光电探测器都处于平衡状态，有效抑制了外界因素对测量的影响。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于光热检测的自动平衡光电探测装置，包括平衡光电探测器，其特征在于：

还包括探测光分光装置、探测光功率调整装置、直流信号采集处理装置、自动控制电路和交流弱信号检测装置；

所述探测光分光装置设置在探测光源的输出光路上，用于将探测光源输出的探测光束分为两束，其中一束经过被测样品后照射到平衡光电探测器的一个探头上，另一束经过探测光功率调整装置后照射到平衡光电探测器的另一个探头上；

所述平衡光电探测器的输出端分别与直流信号采集处理装置和交流弱信号检测装置的输入端连接，直流信号采集处理装置的输出端与自动控制电路的输入端连接，所述自动控制电路的输出端与探测光功率调整装置的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置，其特征在于：所述直流信号采集处理装置包括信号采集器、滤波器、增益放大器、模数转换器和数据处理器。

3.根据权利要求1所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置，其特征在于：所述交流弱信号检测装置具体为锁相放大器。

4.根据权利要求1所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）探测光分光装置将探测光源输出的探测光束分为两束，其中一束经过被测样品后由平衡光电探测器的一个探头接收测量，另一束经过探测光功率调整装置后由平衡光电探测器的另一个探头接收测量；

（2）交流弱信号检测装置对平衡光电探测器输出的交流信号进行接收检测，直流信号采集处理装置对平衡光电探测器输出的直流信号进行采集处理，若平衡光电探测器处于不平衡状态，则发出控制指令到自动控制电路，自动控制电路控制探测光功率调整装置改变探测光束的功率，直到平衡光电探测器达到平衡状态。

5.根据权利要求4所述的用于光热检测的自动平衡光电探测装置的探测方法，其特征在于，

所述步骤（2）中，直流信号采集处理装置对平衡光电探测器输出的直流信号进行采集处理，具体包括：

信号采集器对平衡光电探测器输出的直流模拟信号进行采样，采样信号经滤波器滤波和增益放大器放大后，由模数转换器将其转换成数字信号，并输入数据处理器，由数据处理器将采样值与平衡光电探测器处于平衡状态的预设值相比较，判断采样值是否偏离预设值，即判断平衡光电探测器是否处于不平衡状态。

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