CN104181126A - 激光光谱仪和用于运行激光光谱仪的方法 - Google Patents

激光光谱仪和用于运行激光光谱仪的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光光谱仪和用于运行激光光谱仪的方法，在激光光谱仪中将可以调谐波长的半导体激光器的光穿过包括需要测量的气体成分的混合气体和标准器结构引导到探测器上。为了在调谐范围内通过气体成分的特定的吸收谱线调谐半导体激光器的波长，半导体激光器的注入电流周期性地按照预定的电流-时间-函数变化。同时利用频率并且交替地利用匹配于吸收谱线的半值宽度的第一振幅和匹配于标准器结构的光谱宽度的第二振幅调制注入电流和进而波长。由探测到的光强度分析二次谐波，其中在利用第一振幅调制时测量吸收谱线，并在利用第二振幅调制时根据标准器结构的透射光谱使半导体激光器的波长稳定。

Description

激光光谱仪和用于运行激光光谱仪的方法
技术领域
本发明涉及一种激光光谱仪和用于运行激光光谱仪的方法。
背景技术
激光光谱仪特别地在过程测量技术方面用于光学气体分析。在此，半导体激光器、例如激光二极管产生通常在(i.d.R.)红外区域中的光，光被引导通过需要测量的混合气体(过程气体)并且随后探测所述光。所产生的光的强度和波长是注入电流与半导体激光器的运行温度的非线性函数。根据过程气体的分别需要测量的气体成分的特定的吸收谱线来调整光的波长，其中激光器周期性地扫描吸收谱线。为达到该目的，利用优选地是斜坡形或三角形的预设电流-时间-函数来驱控激光器。从在吸收谱线的区域中探测到的吸收度可以确定所关心的气体成分浓度。
为提高测量精确度已知的是，利用周期性的、例如频率f的正弦调制信号来调制电流-时间-函数(Wavelength Modulation Spectroscopy(波长-调制光谱)或简写WMS)，并且在双倍频率2f时相位敏感地分析探测器信号(second harmonic detection(二次谐波探测))。
基于背景条件的、最重要的是背景温度的变化，在半导体激光器的温度测量中的误差或在半导体激光器的驱控电子元件中的漂移可以这样显著改变所产生的光的波长，从而阻碍分析吸收谱线。基于此原因，通常需要波长基准化(也称为波长稳定)。
为此可以额外地将其中包括基准气体的基准容器例如引入光路中，并且测量基准气体的吸收谱线。通过基准气体的吸收谱线的位置可以如此调整半导体激光器的温度，即，使需要测量的气体成分的吸收谱线总是在电流-时间-函数的确定位置上。此时电流斜坡必须足够大，以使得半导体激光器的由此得出的调谐范围既包括需要测量的气体成分的吸收谱线也包括基准气体的吸收谱线，或者说，必须具备合适的基准气体，其吸收谱线以光谱的形式位于需要测量的气体成分的吸收谱线附近，从而使其对于半导体激光器来说是可以达到的。
当吸收足够大的时候，需要测量的气体成分的吸收谱线自身也可以用于进行波长稳定，这由此来实现，即将吸收谱线与电流-时间-函数相关的实际位置与理论位置相比较，并且将该误差用于调整半导体激光器的温度。该方法的劣势在于，当需要测量的气体成分浓度低或者其不足的时候不能进行调整。这特别是在这种情况、即其中特定气体成分不足的应用中被监测到，该情况通常会不存在。半导体激光器的发射波长然后可能会漂移，因此虽然气体成分存在，但是利用错误的波长探测出气体成分不足(零浓度)。
同样已知的是，将激光束分成通过需要测量的混合气体的测量光束和通过由需要测量的气体成分或基准气体填充的基准容器的基准光束，并且随后将两个光束分开以用于探测。这具有的优势是，用于测定波长误差的、由基准光束产生的探测器信号完全不受需要测量的混合气体的影响。然而分散激光束需要在光束路径中附加的光学元件(分光器)，它们会干扰实际的测量光束并影响光谱仪的灵敏性。此外，用于基准光束的附加探测器导致了在设备技术方面花费提高。
当基准气体例如有剧毒、腐蚀性、爆炸性时，在使用这些基准气体的情况下的波长稳定会有问题，并且导致激光光谱仪的运行和运输受到限制。一种可能性是将代替基准气体使用标准器(Etalon)用于波长稳定。
从WO2013045278A1中已知了一种标准器的应用，该标准器用于设定或调节激光光谱仪的调谐范围，也就是电流-时间-函数的振幅或电流斜坡的高度。激光光谱仪必须在其生产时基准波长和调谐范围进行第一次设定或调节。用于调节调谐范围的标准器和作用于调节波长并填充有基准气体的气体单元依次布置在半导体激光器和探测器之间的光路中。如此选择标准器的自由光谱范围，即其通过基准气体的吸收谱线的宽度被区分开。在调节波长时，将调制信号的调制振幅匹配于基准气体的吸收谱线的宽度。因此，当标准器的信号部分被强烈抑制时，优化了用于探测该吸收谱线的探测器信号。相反的，为调节调谐范围而将调制振幅匹配于标准器的自由光谱范围。由此优化了用于标准器的透射光谱的探测的探测器信号。因为基准气体的吸收谱线非常宽，因此抑制了其信号部分，并且得到接近无干扰的标准器透射光谱。
发明内容
在此，本发明的目的在于，在激光光谱仪的正常测量运行中利用简单方法实现波长稳定。
根据本发明，通过在权利要求1中给出的方法和在权利要求2中定义的激光光谱仪来实现该目的。
因此激光光谱仪如下地运行或设计用于，
-将可以调谐波长的半导体激光器的光穿过包含需要测量的气体成分的混合气体和标准器结构引导到探测器上，
-为了在调谐范围内完全通过气体成分的特定的吸收谱线调谐半导体激光器的波长，使半导体激光器的注入电流周期性地根据预定的电流-时间-函数变化，
-利用具有频率的调制信号并且交替地利用匹配于吸收谱线的半值宽度的第一调制振幅和大了多倍的第二振幅调制电流-时间-函数，并且
-在频率的二次谐波中分析由探测器所产生的探测器信号，以便利用在第一调制振幅调制时确定在混合气体中的需要测量的气体成分的浓度，并且在利用第二调制振幅调制时使半导体激光器波长稳定，
-其中，标准器结构或者具有唯一的标准器，其自由光谱范围大于调谐范围的一倍并小于两倍，并且第二调制振幅匹配于标准器结构的自由光谱范围，或者
-其中，标准器结构包括至少两个不同的标准器，它们的自由光谱范围分别小于调谐范围，并且在此如下地选择，即标准器中的每一个的透射函数的振幅在第一调制振幅中至少接近零，所述振幅与调制振幅的相关性近似地遵循二阶第一类贝塞尔函数。
在根据本发明的方法中，因此借助标准器结构和利用第二调制振幅调制的电流-时间-函数进行波长稳定。
如果标准器结构由一个唯一的标准器构成，因此选择其自由光谱范围大于半导体激光器的调谐范围的一倍且小于两倍，以便在半导体激光器的调谐中，对于探测器只有标准器的透射光谱的最大值或者最小值是可见的。第二调制振幅匹配于标准器结构的自由光谱范围，以便当气体成分的吸收谱线的被探测的信号部分被抑制时，优化了对最大值或者最小值的探测。根据探测到的最大值或者最小值进行波长稳定。相反地，当利用第一调制振幅调制电流-时间-函数时，探测需要测量的气体成分的吸收谱线。因为第一调制振幅匹配于吸收谱线的半值宽度，并且多倍地小于第二调制振幅，当标准器的信号部分被显著抑制时，该吸收谱线的探测被优化。
如果标准器结构包括至少两个不同标准器，那么它的自由光谱范围分别小于调谐范围并且此外如此选择，即标准器中的每一个的透射函数的振幅在第一调制振幅中至少接近零，该振幅与调制振幅的相关性近似地遵循二阶第一类贝塞尔函数。在此当同时抑制标准器的信号部分时也优化了对需要测量的气体成分的吸收谱线的探测，因为第一调制振幅一方面匹配于吸收谱线的半值宽度，并且另一方面标准器的透射函数在第一调制振幅中具有零点。如果涉及借助标准器结构并且在利用第二调制振幅的调制时的波长稳定，由于标准器的自由光谱范围小，因此其相应透射光谱的多个周期、即多个最大值和最小值对于探测器是可见的。因为标准器不同，并且如下面进一步所解释的，所提到的贝塞尔函数的零点位置彼此间不是合理多倍地，所以探测到的标准器结构的透射光谱不是周期性的，该光谱是由各个标准器的透射光谱的重叠得出的。因此在调谐范围上得出在标准器结构的透射光谱中能明确标识地最大值或者最小值，其不与其他最大值或者最小值相混淆并且随后用于波长稳定。
附图说明
为进一步说明本发明，下面基准示出的附图；详细示出：
图1是根据本发明的激光光谱仪的实施例，
图2是标准器的透射光谱的实例，此时其自由光谱范围小于激光光谱仪的调谐范围，
图3是标准器的透射光谱的实例，此时其自由光谱范围大于调谐范围的一倍且小于两倍，
图4是二阶第一类的贝塞尔函数，和
图5是由三个标准器构成的标准器结构的透射光谱的实例。
具体实施方式
图1在示意图中示出一个激光光谱仪，其用于测量包含在测量容器2中的混合气体1的至少一个所关心的气体成分的浓度，混合气体在此例如流过过程气体管路。光谱仪包括激光二极管形式的半导体激光器3，它的光4穿过混合气体1和标准器结构5落到探测器6上。由具有注入电流i的可控电流源7驱控半导体激光器3，其中所产生的光4的强度ILaser和波长λ与电流i和半导体激光器3的运行温度相关。为了均匀改变注入电流i(电流-时间-函数)，第一信号发生器8周期性地利用优选为三角形或者斜坡形的信号9驱控电流源7。第二信号发生器10产生频率f的正弦形式的调制信号11，在加法器12中利用该调制信号来调制电流-时间-函数9。可以借助于控制装置13设定调制信号11的振幅。
因为利用电流-时间-函数9对激光器3进行驱控，因此所产生的光4的波长λ(或频率ν)周期性地在调谐范围内变化，并且在此取决于波长地扫描所关心的气体成分的所选择的吸收谱线。在调谐半导体激光器3期间，同时基于调制信号11利用频率f来调制光4的波长λ。在扫描吸收谱线时，光4的少量部分被吸收谱线吸收。探测器6根据被探测的光强度I产生探测器信号14，它的二次谐波(2f-信号部分)I2f在可选频率增强器15中加强，并且在随后的分析装置16中相位敏感地(lock-in(锁定))继续处理，并且分析对于混合气体1的所关心的气体成分浓度所给出的测量结果17。为了优化对吸收谱线的探测，控制装置13如此设定调制信号11的振幅，即调制振幅、也就是所产生的光4的波长变化量Δλ(或者频率变化量Δν)匹配于需要扫描的吸收谱线的宽度、例如半值宽度(Full widthat half maximum(全宽度一半的最大值)或FWHM)。因此对于洛伦兹形的吸收谱线的理想情况而言，当调制系数m为mmax＝2.2时(调制系数m是光谱调制振幅Δλ(或者Δν)与被扫描的吸收谱线的半值宽度的比值)，2f-信号部分I2f最大。例如调谐半导体激光器3用于当调制Δν＝2时在20GHz的区域上扫描1GHz左右宽的吸收谱线。
标准器结构5用于产生可探测的基准波长，根据基准波长校准半导体激光器3的波长λ并且使其稳定，这通过借助于温度调节器18调节半导体激光器的温度或者设定对于电流i的偏移来实现。在示出的实施例中，标准器结构5由具有两个平面平行的部分成镜面的窗19，20的单个标准器构成，光4在这两个窗之间来回被反射。基于多倍干扰，使所射出的光的强度I随波长λ的改变而周期性地改变。在此，在周期数是波长λ在半导体激光器3的调谐范围上变化的量度时，周期长度等于标准器结构5的自由光谱范围(Free Spectral Range或者FSR)。
图2示出对于标准器的透射光谱的实例，此时自由光谱范围FSR小于调谐范围。从标准器射出的光4(按随机单位)的强度I施加在波长λ或者频率ν的调谐范围上。作为数字实例，此处使用上文所述20GHz的调谐范围和2.4GHz的自由光谱范围。
可以根据透射光谱的最大值或者最小值实现稳定激光器3的波长λ，但是其中更难通过其周期性探测这样的最大值或者最小值。另外的问题在于，混合气体1的所关心的气体成分的吸收谱线和标准器结构5的透射光谱自身重叠并且因此对于其相应的探测而言相互干扰。
关于首先提到的问题，相应地选择第一解决变体，其中标准器结构5的自由光谱范围FSR大于调谐范围的一倍且小于两倍，因此至少一个最大值或者最小值是可见的，但是其不再作为标准器结构5的透射光谱的最大值或者最小值。
图3示出对于标准器结构5的透射光谱的实例，其中从上述20GHz的调谐范围出发，自由光谱范围为40GHz。标准器结构5的透射函数与调制振幅Δλ或Δν相关，并且遵循在Δν/FSR＝0.83，1.34，1.85等时具有零点位置的二阶第一类的贝塞尔函数J2(2π·Δν/FSR)。
图4示出这种贝塞尔函数。为了优化对图3中示出的标准器结构5的透射光谱的最大值的探测，调整装置13(图1)如此设定调制信号11的振幅，即调制振幅、也就是所产生的光4的波长变化量Δλ或频率变化量Δν匹配于标准器5的自由光谱范围FSR＝40GHz。在此处示出的实例中，利用调制Δν＝20GHz实现上述过程，以便利用Δν/FSR＝0.5使标准器结构5的透射光谱被探测的最大值的2f-信号部分I2f最大。如根据图4简单确定地，在为了探测所关心的气体成分的吸收谱线使用调制Δν＝2GHz时，显著抑制了标准器5的自由光谱范围的被探测的2f-信号部分，即标准器5在Δν/FSR＝0.05时对于2f-探测来说是尽可能不可视的，并且无干扰地探测吸收谱线。
在图1中示出的控制装置13以此种方式控制调制信号11的振幅，即交替性地利用用于探测所关心的气体成分的吸收谱线的第一调制振幅Δν＝2GHz和利用用于使半导体激光器3波长稳定的第二调制振幅Δν＝20GHz调制光4的相应于电流-时间-函数9周期性地调谐的波长。在按照需求或者根据预定数量依次测量吸收谱线后可以首先波长稳定。
如上面根据图2所说明的，当自由光谱范围FSR小于半导体激光器3的调谐范围时，标准器的透射光谱具有周期性变化曲线。由此使增大了对于波长稳定所必需的最大值或者最小值探测的难度。在对于上面描述的解决方法的一个替代变体中，标准器结构5包括至少两个不同标准器，它们的自由光谱范围分别小于调谐范围并且此外如此选择，即这些标准器中的每一个的透射函数的振幅在第一调制振幅中至少接近零。当对于调制振幅Δν使用0.83倍、1.34倍以及1.85倍的标准器自由光谱范围时，达到贝塞尔函数J2的三个第一零点位置。从为了探测所关心的气体成分的吸收谱线的所使用的调制Δν＝2GHz出发，随后得出对应一致的自由光谱范围FSR＝2.4GHz，1.49GHz以及1.08GHz。由三个具有突出提到的自由光谱范围的标准器构成的标准器结构5在第一调制振幅Δν＝2GHz中对于2f探测是尽可能不可见的，因此尽可能无干扰地探测吸收谱线。
图5示出由三个标准器构成的标准器结构5的透射光谱，其中使用第二调制振幅用于波长稳定，例如Δν＝15GHz。因为贝塞尔函数J2的零点位置是互相非理性多倍的，由各个标准器的透射光谱重叠所得出的透射光谱不再是周期性地，由此简化了对于稳定波长所必需的最大值或者最小值的探测。这对于两个标准器而言已经是这种情况。但是由于制造公差可以有意义的是使用多个数量的标准器也，以便提高所得出的透射光谱的不规则性。存在很多可能性来实现由多个标准器构成的标准器结构。在图1中示出的标准器5中，两个窗19，20中的每一个已经分别构成自己的标准器。
根据本发明的方法以及激光光谱仪中，因此以如所关心的气体成分的吸收谱线的方式，即按照“二次谐波探测”原理，探测标准器结构的透射光谱。但是在此分别根据标准器结构5或者吸收谱线的光谱宽度调整调制振幅并且进而所产生的光的频率或者波长的变化量。基于频率调制或波长调制，所产生的2f探测器信号的电平与调制相对于光谱宽度的比率相关，因此可能的是，根据本发明，包括需要测量的气体成分的混合气体和标准器结构一起依次布置在激光光谱仪的光路中，并且通过调制振幅如此控制需要测量的吸收谱线和标准器对调制信号的相应影响，即可将由需要测量的吸收谱线所产生的信号部分与由标准器所产生的信号部分区分开。

Claims (2)

1.一种用于运行激光光谱仪的方法，其中
-将能调谐波长的半导体激光器(3)的光(4)穿过包括需要测量的气体成分的混合气体(1)和标准器结构(5)引导到探测器(6)上，
-为了在调谐范围内完全通过所述气体成分(1)的特定的吸收谱线调谐所述半导体激光器(3)的波长(λ)，使所述半导体激光器(3)的注入电流(i)周期性地根据预定的电流-时间-函数(9)变化，
-利用具有频率(f)的调制信号(11)并且交替地利用匹配于所述吸收谱线的半值宽度的第一调制振幅和大了多倍的第二调制振幅调制所述电流-时间-函数(9)并且
-在所述频率的二次谐波(2f)中分析由所述探测器(6)所产生的探测器信号(14)，以便在利用所述第一振幅调制时确定在所述混合气体(1)中的所述需要测量的气体成分的浓度，并且在利用所述第二调制振幅调制时使所述半导体激光器(3)波长稳定，
-其中，所述标准器结构(5)或者具有唯一的标准器，所述标准器的自由光谱范围(FSR)大于所述调谐范围的一倍并小于两倍，并且所述第二调制振幅匹配于所述标准器结构(5)的所述自由光谱范围(FSR)，或者
-其中，所述标准器结构(5)包括至少两个不同的标准器，这些所述标准器的自由光谱范围分别小于所述调谐范围，并且在此如下地选择，即所述标准器中的每一个的透射函数的振幅在所述第一调制振幅中至少接近零，所述振幅与调制振幅的相关性近似地遵循二阶第一类贝塞尔函数。
2.一种激光光谱仪，具有能调谐波长的半导体激光器(3)、用于产生探测器信号(14)的探测器(6)、用于周期性调制所述半导体激光器(3)的注入电流(i)的控制器(7，8，10)和用于分析所述探测器信号(14)的分析器(15，16)的，其中
-包括需要测量的气体成分的混合气体(1)和标准器结构(5)位于所述半导体激光器(3)和所述探测器(6)之间的光路中，
-所述控制器(7，8，10)设计用于：在调谐范围内根据预定的电流-时间-函数(9)改变所述注入电流(i)，所述电流-时间-函数附加地利用频率并且交替地利用两个不同振幅来调制，并且
-所述分析器(15，16)设计用于：在所述频率的二次谐波(2f)中分析所述探测器信号(14)，以便在利用所述第一调制振幅调制时确定在所述混合气体(1)中的所述需要测量的气体成分的浓度，并且在利用所述第二调制振幅调制时使所述半导体激光器(3)波长稳定，
-其中，所述标准器结构(5)或者具有唯一的标准器，所述标准器的自由光谱范围(FSR)大于所述调谐范围的一倍且小于两倍，并且所述第二调制振幅匹配于所述标准器结构(5)的所述自由光谱范围(FSR)，或者
-其中，所述标准器结构(5)包括至少两个不同标准器，这些所述标准器的自由光谱范围分别小于调谐范围并且在此如下地选择，即所述标准器中的每一个的透射函数的所述振幅在所述第一调制振幅中至少接近零，所述振幅与调制振幅的相关性近似地遵循二阶第一类贝塞尔函数。
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