CN103913430A - 基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法。解决了目前腔衰荡光谱技术测量结果精度难以提升且装置复杂、成本较高的技术问题。一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，包括激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及光学腔；光学腔的出射光路上设有光电探测器，所述光电探测器的信号输出端分为两路，第一路通过一个阈值电路与声光调制器的控制端相连接，第二路连接有一个对数运算放大器。本发明技术方案简单，方便操作，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

Description

基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法。 

背景技术

腔衰荡光谱技术(Cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种高灵敏的吸收光谱技术，常常用作痕量气体检测以及镜片反射率测量。根据比尔朗博定律，当一束强度为I0的光穿过气体吸收介质时，强度会由于介质的吸收而衰减，检测到的透射光强度将减小，而且光程越大，强度减小越明显。吸收光谱技术就是通过比较初始光强以及透射光强的变化关系从而反演出吸收介质的浓度。其中，腔衰荡光谱技术通过使用两片高反镜作为光学腔，将吸收光程大大增加，可以达到～km以上，从而增加了探测灵敏度，光进入光学腔后在两个高反镜之间来回反射，每一次反射都会由于吸收介质的吸收而衰减，腔后的透射光将呈现指数衰减的形式，通过测量透射光强的衰减时间得到腔内的吸收介质浓度。从以上过程可以看出，不同于其他光谱技术，腔衰荡光谱技术测量的是光强的时间特性，而不是强度特性，所以光强度的起伏对于测量并没有影响，从而对激光光源稳定性的依赖有所减小。同时，腔衰荡光谱技术是一种自校准的吸收光谱技术，测量得到的气体浓度是绝对气体浓度，不需要标气池进行定标，从而简化了装置的复杂度。CRDS的探测灵敏度达到10-7，与光声光谱及腔内吸收光谱技术的测量结果相当。 

CRDS的历史起源于1961年，当时Jackson通过通过改进法布里-珀罗腔增加了测量精度。1973年，Kastler测量到一束脉冲光进入法布里-珀罗腔后，由于镜面的反射损耗，在腔后检测到随指数衰减的信号。1980年，随着镀膜技术的革新，镜面反射率不断的提高，传统技术已经很难达到反射率测量的要求，Herbelin使用光学腔相移技术精确地得到了镜面反射率。1984年，Anderson首次提出使用腔衰荡技术测量镜面反射率。到了1988年，O’Keefe和Deacon首次提出了CRDS技术，并用脉冲激光器测量了O₂在630nm处得吸收线，但是由于脉冲激光器线宽宽，频率稳定度差，测量得到的分辨率很低。1996年D.Romanini提出基于连续激光器CRDS(CW-CRDS)，由于连续激光器的高重复率、高稳定度，噪声等效吸收达到10^-9/cm，从而将CRDS推向更广阔的舞台。 

腔衰荡光谱技术原理如图1所示，根据比尔朗博定律，当初始光强为I₀的激光束进入光学腔，由于腔镜上的损耗以及腔内介质吸收损耗，将在腔后检测到随指数衰减的光强： 

$I=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})---\left(1\right)$

其中τ表示光强的衰荡时间，其大小与腔内介质的吸收以及腔镜的透射、散射、衍射等有关。由于光学腔长度远大于腔镜尺寸，而且光源为激光，有很好的单色性，腔镜的散射损耗以及衍射损耗可以忽略不计，则衰荡时间τ可以表示为： 

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{c[\mathrm{\αLC}+\ln R]}---\left(2\right)$

其中，c表示光速，α表示介质的吸收系数，L表示腔长，R表示腔镜反射率。在腔衰荡光谱技术中，腔镜反射率R一般大于99%，lnR≈1-R。从而上式可改写为： 

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{c[\mathrm{\αLC}+(1-R)]}---\left(3\right)$

当腔内不存在吸收介质时，衰荡时间τ₀： 

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{L}{c(1-R)}---\left(4\right)$

联立式（3）与式（4）可得，介质浓度： 

$C=\frac{1}{\mathrm{c\α}}(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(5\right)$

由上式可以看出，只要测量得到有无吸收介质时的衰荡时间τ和τ₀，就可以反演得到吸收介质的浓度。以往获得的τ和τ₀方法是通过测量腔后的透射信号，进行指数衰减拟合，拟合得到的指数衰减时间就是τ和τ₀。这种方法要求系统有较高的采集率以及运算能力。对于本实验系统，腔长为39.4cm，对应的衰荡时间在2.5μs以下，整个衰荡过程也在15μs以内，对于1MHz的采样速率，一个衰荡周期只能采集到15个点，对于这种非线性拟合波形，会产生很大的误差，甚至无法拟合。 

综上所述，目前使用的CRDS技术，持续时间往往在几十μs以下的衰荡事件，需要使用高速采集卡将信号送入计算机进行指数拟合，对于这种非线性拟合方式，数据点数过少会很大程度的影响拟合结果，这样就要求采集系统有非常高的采集速率，数据处理单元要有很快的运算能力，这就增加了整个装置的成本，而且整个装置比较复杂。 

发明内容

本发明为解决目前腔衰荡光谱技术测量结果精度难以提升且装置复杂、成本较高的技术问题，提供一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法。 

本发明所述的基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置是采用以下技术方案实现的：一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，包括激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔；所述光学腔位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上；压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器和函数发生器；光学腔的出射光路上设有光电探测器，所述光电探测器的信号输出端分为两路，第一路通过一个阈值电路与声光调制器的控制端相连接，第二路连接有一个对数运算放大器；所述对数运算放大器的信号输出端连接有一个内设有基于labview平台的CRDS采集及拟合程序的计算机；所述阈值电路包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与光电探测器的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六端口相连接；所述定时器的第三端口与声光调制器的信号输入端相连接；比较器的第七端口以及定时器的第八端口均与外部电源相连接；定时器的第三端口还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二端口与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四端口与外部电源相连接，定时器的 第七端口通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一端口接地；所述比较器的第四端口接地，定时器的第六端口通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501。 

基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置如图2所示。激光发射装置输出的激光经过声光调制器以及耦合透镜进入光学腔，由于光在腔内的损耗，在腔的后端将检测到随指数衰减的透射信号，光电探测器采集到的透射信号又通过对数运算放大器进行对数运算，从而变成一条斜率为负的直线，直线的斜率f反应了腔中光强信号的衰荡时间 阈值电路的设定是为了使单一频率的激光进入光学腔，单一频率的光进入光学腔才能满足腔衰荡光谱技术的要求。所述的阈值可以根据采用的激光发射装置以及待测气体的特性通过有限的实验得到。 

所述阈值电路（图6）使用自行设计的基于555定时器（即LM555CN）的单稳态电路，电路输出与声光调制器控制端相连接，可以根据光电探测器输出信号来控制声光调制器，激光与光学腔达到共振时，光电探测器输出高电平，当阈值电路的输入电平大于预先设置好的阈值时，阈值电路输出一个时间宽度t可以调节的负脉冲，从而关闭光路，经过t时间的负脉冲后，输出自动回到高电平，从而再次打开光路。 

本发明使用了对数运算放大器将指数衰减信号转化为线性变化，很好的解决了目前腔衰荡光谱技术存在的设备复杂、而且精度不 够高的技术问题。 

进一步的，所述对数运算放大器包括一个AD8307芯片，AD8307芯片的第一端口连接有+08V的恒压电源且同时与光电探测器第二路信号输出端的负端相连接，AD8307芯片的第一端口通过电阻R1与第八端口相连接，第八端口通过电阻R2与光电探测器第二路信号输出端的正端相连接；AD8307芯片的第二端口接地，AD8307芯片的第三端口连接有电位器R5，电位器R5的一端连接有+5V外部电源，另一端接地；AD8307芯片的第五端口连接有电位器R7，电位器R7的一端连接有+5V的外部电源，电位器R7另一端通过电阻R3接地；AD8307芯片的第六端口和第七端口相连接且共同连接有+5V的外部电源；AD8307芯片的第四端口与计算机的信号输入端相连接。 

以对数运算放大器AD8307为例，AD8307是一款基于渐进压缩(逐次压缩)技术的高速电压输入输出型对数放大器，解调频率范围为DC～500MHz，在频率为100MHz一下时可提供92dB的动态范围。该器件极其稳定且易于使用，基本不需要外部元件。AD8307内部是由一组非线性放大器单元级联而成，每一个级联放大器单元都有14.3dB的增益和900MHz带宽，整个对数运算放大器的输入输出响应如图3所示，横坐标log V_in表示输入信号的对数，纵坐标V_out表示输出信号，可以看出当输入范围在V_x～V_m之间（0.8V～2.2V），输出信号V_out＝V_ylog(V_in/V_x)；在这个范围外的输入信号，将出现失真。 

实际应用中通过施加基底电压以及电阻分压的方式，控制输入信号范围满足V_x～V_m之间，将指数衰荡事件演变为随直线衰减的信号， 从而将衰荡时间的拟合转化为对线型斜率的拟合，理论上线性拟合只需要采集到两个点就可以确定直线的斜率，对于一个15μs的信号，等价于只要使用67KHz的采样率就可以完成衰荡时间的检测。相比于指数拟合1MHz采样率以上的要求，使用对数运算放大器大大减小了系统对于采集以及信号系统的要求，更简单便宜的模数转换芯片以及单片机就可以满足要求，从而促进了腔衰荡光谱系统的便携以及应用发展。 

本发明所述的基于对数运算放大器测量气体浓度的腔衰荡光谱方法是采用如下技术方案实现的：一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱方法，声光调制器对激光发射装置发射的激光强度进行调制，强度经过调制的激光经过耦合透镜汇聚后，进入光学腔，函数发生器输出的三角波通过高压放大器施加在压电陶瓷上，扫描光学腔的长度，使激光频率可以和光学腔达到共振；光电探测器将探测到的光信号转换为相应的电信号后分为两路输出，一路输入到阈值电路，当信号强度大于阈值电路设置的阈值时，阈值电路输出一个负脉冲到声光调制器，从而将光路切断，保证单一频率的光在光学腔内振荡衰减；另一路电信号经过对数运算放大器进行对数运算后，输入至计算机进行斜率拟合；计算机在CRDS采集及拟合程序程序的支持下计算出所测气体浓度的数值并通过计算机显示屏上显示出来。 

本发明与其它相同类技术相比有以下优点： 

⒈本发明技术提出了一套基于腔衰荡光谱技术的系统，可以用于痕量气体检测以及镜面反射率测量。 

2.本发明测量模块结合了对数运算放大器，可以将随指数衰减的信号转化为直线，指数拟合变为线性拟合，由于对于指数拟合这种非线性拟合方式，需要足够多的数据点才能使衰减信息不会丢失，而对于线性拟合，只需要两个点就可以完成拟合过程，少数几个点就可以很好的反应直线斜率，不需要有较快的数据采集能力和处理能力。从而可以简化了采集以及信号处理系统，扩展了腔衰荡光谱的应用普及。 

3.本发明技术方案简单，方便操作，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。 

附图说明

图1为腔衰荡光谱技术原理图。 

图2为基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置的结构示意图。 

图3为对数运算放大器AD8307的动态响应图。 

图4为运算放大器电路原理图。 

图5为不经过对数运算放大器以及经过对数运算放大器运算后的结果对比图。 

图6阈值电路的结构示意图。 

1-半导体激光器，2-激光控制器，3-声光调制器，4-耦合透镜，5-光学腔，6-光电探测器，7-阈值电路，8-高压放大器，9-函数发生器，10-对数运算放大器，11-计算机。 

具体实施方式

一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，包括激光发射装 置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器3，声光调制器3的出射光路上顺次设有耦合透镜4以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔5；所述光学腔5位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上；压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器8和函数发生器9；光学腔5的出射光路上设有光电探测器6，所述光电探测器6的信号输出端分为两路，第一路通过一个阈值电路7与声光调制器3的控制端相连接，第二路连接有一个对数运算放大器10；所述对数运算放大器10的信号输出端连接有一个内设有基于labview平台的CRDS采集及拟合程序的计算机11；所述阈值电路7包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与光电探测器6的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六端口相连接；所述定时器的第三端口与声光调制器3的信号输入端相连接；比较器的第七端口以及定时器的第八端口均与外部电源相连接；定时器的第三端口还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二端口与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四端口与外部电源相连接，定时器的第七端口通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一端口接地；所述比较器的第四端口接地，定时器的第六端口通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501。 

所述对数运算放大器10包括一个AD8307芯片，AD8307芯片的 第一端口连接有+08V的恒压电源且同时与光电探测器6第二路信号输出端的负端相连接，AD8307芯片的第一端口通过电阻R1与第八端口相连接，第八端口通过电阻R2与光电探测器6第二路信号输出端的正端相连接；AD8307芯片的第二端口接地，AD8307芯片的第三端口连接有电位器R5，电位器R5的一端连接有+5V外部电源，另一端接地；AD8307芯片的第五端口连接有电位器R7，电位器R7的一端连接有+5V的外部电源，电位器R7另一端通过电阻R3接地；AD8307芯片的第六端口和第七端口相连接且共同连接有+5V的外部电源；AD8307芯片的第四端口与计算机11的信号输入端相连接。 

所述激光发射装置包括半导体激光器1以及用于驱动半导体激光器1的激光控制器2。 

一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱方法，声光调制器3对激光发射装置发射的激光强度进行调制，强度经过调制的激光经过耦合透镜汇聚后4，进入光学腔5，函数发生器9输出的三角波通过高压放大器8施加在压电陶瓷上，扫描光学腔5的长度，使激光频率可以和光学腔5达到共振；光电探测器6将探测到的光信号转换为相应的电信号后分为两路输出，一路输入到阈值电路7，当信号强度大于阈值电路7设置的阈值时，阈值电路7输出一个负脉冲到声光调制器3，从而将光路切断，保证单一频率的光在光学腔5内振荡衰减；另一路电信号经过对数运算放大器10进行对数运算后，输入至计算机11进行斜率拟合；计算机11在CRDS采集及拟合程序程序的支持下计算出所测气体浓度的数值并通过计算机11显示屏上显示出来。 

下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。 

如图2所示，激光控制器2通过改变激光器1内部的电流和温度大小调节激光器输出激光的频率，出射光经过声光调制器3以及耦合透镜4，进入光学腔5，光学腔5由一对反射率均为99.95%的平凹镜组成，其中凹面镜固定在压电陶瓷上，函数发生器9输出的三角波通过高压放大器8施加在压电陶瓷上，扫描光学腔5的长度，从而保证激光频率可以和光学腔5达到共振。当两者共振时，将在腔后检测到迅速增加的光信号，光电探测器6探测到的信号分为两部分，一部分输入到阈值电路7，当信号大于阈值电路7设置的阈值时，7输出一个负脉冲到声光调制器3，从而将光路切断，保证单一频率的光在腔内振荡衰减；另一部分信号通过对数运算放大器10进行对数运算，从而得到一条线型，送入计算机11进行斜率拟合。 

图3为对数运算放大器AD8307的动态响应图。可以看出输入范围在V_x～V_m之间时，输出等于输入的对数运算结果。在此范围以外，都是非线性响应。 

对数运算放大器电路图如图4所示，AD8307的端口1和端口8是输入引脚，端口2和端口7分别为正向电压和负向电压输入口，AD8307的3端口可以通过电位器调整输入信号线性放大范围的偏置，端口4是对数运算放大器的输出引脚，端口5用于调节输出电压的基底，端口6是芯片的使能端口。光电探测器6输出的随指数衰减的衰荡信号从IN1和IN2进入运算放大器电路，通过+0.8V的恒压源以及电阻R1和R2的分压将输入信号转变成满足AD8307的线性响应范 围（0.8V～4V），输入到端口1和端口8。端口4输出的信号： 

$V_{\mathrm{out}}=\log \left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)\log \left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{0.8}\right)$

随时间线性衰减，线性信号被电脑采集进行线性拟合。 

图5为不经过对数运算放大器以及经过对数运算放大器运算后的结果对比图。图5上半部分为不经过对数运算放大器的测量以及指数拟合结果，图5下半部分为经过对数运算放大器的测量以及线性拟合结果。可以看出，经过对数运算放大器后的指数衰减信号有很好的线性特性，拟合误差很小，理想状况下只要取直线上两个点就可以获得直线斜率信息。 

Claims (4)

1.一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，包括激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器（3），声光调制器（3）的出射光路上顺次设有耦合透镜（4）以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔（5）；所述光学腔（5）位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上；压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器（8）和函数发生器（9）；光学腔（5）的出射光路上设有光电探测器（6），其特征在于，所述光电探测器（6）的信号输出端分为两路，第一路通过一个阈值电路（7）与声光调制器（3）的控制端相连接，第二路连接有一个对数运算放大器（10）；所述对数运算放大器（10）的信号输出端连接有一个内设有基于labview平台的CRDS采集及拟合程序的计算机（11）；所述阈值电路（7）包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与光电探测器（6）的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六端口相连接；所述定时器的第三端口与声光调制器（3）的信号输入端相连接；比较器的第七端口以及定时器的第八端口均与外部电源相连接；定时器的第三端口还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二端口与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四端口与外部电源相连接，定时器的第七端口通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一端口接地；所述比较器的第四端口接地，定时器的第六端口通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501。

2.如权利要求1所述的基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，其特征在于，所述对数运算放大器（10）包括一个AD8307芯片，AD8307芯片的第一端口连接有+0.8V的恒压电源且同时与光电探测器（6）第二路信号输出端的负端相连接，AD8307芯片的第一端口通过电阻R1与第八端口相连接，第八端口通过电阻R2与光电探测器（6）第二路信号输出端的正端相连接；AD8307芯片的第二端口接地，AD8307芯片的第三端口连接有电位器R5，电位器R5的一端连接有+5V外部电源，另一端接地；AD8307芯片的第五端口连接有电位器R7，电位器R7的一端连接有+5V的外部电源，电位器R7另一端通过电阻R3接地；AD8307芯片的第六端口和第七端口相连接且共同连接有+5V的外部电源；AD8307芯片的第四端口与计算机（11）的信号输入端相连接。

3.如权利要求1或2所述的基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置，其特征在于，所述激光发射装置包括半导体激光器（1）以及用于驱动半导体激光器（1）的激光控制器（2）。

4.一种采用如权利要求1所述的基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置进行测量的方法，声光调制器（3）对激光发射装置发射的激光强度进行调制，强度经过调制的激光经过耦合透镜汇聚后（4），进入光学腔（5），函数发生器（9）输出的三角波通过高压放大器（8）施加在压电陶瓷上，扫描光学腔（5）的长度，使激光频率可以和光学腔（5）达到共振；其特征在于，光电探测器（6）将探测到的光信号转换为相应的电信号后分为两路输出，一路输入到阈值电路（7），当信号强度大于阈值电路（7）设置的阈值时，阈值电路（7）输出一个负脉冲到声光调制器（3），从而将光路切断，保证单一频率的光在光学腔（5）内振荡衰减；另一路电信号经过对数运算放大器（10）进行对数运算后，输入至计算机（11）进行斜率拟合；计算机（11）在CRDS采集及拟合程序程序的支持下计算出所测气体浓度的数值并通过计算机（11）显示屏上显示出来。