CN104749136A - 基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光痕量气体检测领域，主要是一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法。本发明解决了现有技术在对频率调制光谱的残余幅度调制进行抑制时，多是将调制信号加载到电光调制器（EOM）上，使得用于痕量气体探测时EOM内存在双调制导致射频信号保真度降低的技术问题，提出了一种频率调制光谱中残余幅度调制抑制的新方案，可用于痕量气体检测，具体是使用偏振旋光器作为反馈控制器件，响应带宽为500kHz，可以快速补偿偏振角度的变化；同时通过偏振控制器反馈控制EOM入射光偏振方向与电光调制晶体e轴的夹角，对EOM无施加额外信号，提高了射频信号的保真度；对系统的输入输出光的偏振态检测与反馈降低了整套装置的复杂度。

Description

基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法

技术领域

本发明属于激光痕量气体检测领域，主要是一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法。

背景技术

频率调制光谱(frequency modulation spectroscopy，简称FMS)技术是一种高灵敏度的激光光谱技术，常用于痕量气体检测领域，相比于直接吸收光谱10^-3量级的探测灵敏度，FMS技术可以在相同条件下将灵敏度提高到10^-6量级。但在实际应用中，FMS的探测灵敏度却会由于调制解调过程中产生的残余幅度调制(residual amplitudemodulation，简称RAM)的出现不能达到理论极限值。在理论方面，由于调制而产生的载频两边的边带不是完全等幅反相就会在频率调制过程中产生RAM。然而，实际中产生残余幅度调制的原因有很多如，光散射、沿着光传输方向上在平行表面上产生的干涉效应(etalon效应)、射频源的功率起伏、激光的频率漂移等。随着波导型电光调制器(electro-optical modulator，简称EOM)的普及，反射、散射、功率起伏等原因对FM信号的影响变得微不足道，频率调制元件EOM的双折射效应成为产生RAM的最主要原因。常用的频率调制晶体有磷酸钾(KDP)，磷酸氧钛钾(KTP)，铌酸锂(LiNbO₃)，钽酸锂(LiTaO₃)等双折射晶体。当输入到EOM光的偏振方向与EOM的光轴未准直时，由于EOM是双折射晶体，会造成两个特征轴方向皆有光传输，从EOM输出的调制光就会产生两个调制幅度及相位不同的振幅分量进行合成，这样使得色散相位探测信号存在一个直流偏置以及线型扭曲，即产生RAM。一般来说，实验初期线偏光都是准确与EOM光轴准直的，但由于温度变化引起的保偏光纤中线偏光方向的旋转、铌酸锂晶体中双折射系数的变化都会使准直偏移，RAM就开始在FMS中出现，继而降低探测灵敏度。

人们对抑制RAM对FMS的影响提出了很多实验方法。最初人们通过仔细地、周期性地调整相关光学元件的参数来抑制RAM，但是这种主动调整的办法在弱信号条件下就不再实用也很不方便。Levenson等人使用双调制的方法来抑制RAM，但这种方法使得探测信号成为脉冲信号，对于气体检测这种需要长时间监视FM信号的应用是不适用的。1985年N.C.Wong和J.L.Hall将无气体吸收时的频率调制信号作为误差信号反馈到电光调制器上，利用晶体e轴折射率与加载到EOM上偏置电压的依赖关系，补偿EOM双折射产生的相位差来抑制RAM信号，这种方法成为之后RAM抑制的最基本方法。近年来，Foltynowicz等使用了一种在o轴方向不对光进行调制的新型光纤电光调制器，这样即使线偏振角度与EOM光轴未准直，也不会产生双调制的现象，因此不会产生RAM。山西大学采用H-C检偏装置检测EOM输出光偏振态的变化，从输出光的线偏振态判别是否产生了双调制，将H-C误差信号反馈到电光调制器中，补偿了双折射引起的相位差从而抑制RAM。

但是现有的技术方案多是将调制信号加载到电光调制器(EOM)上，使得用于痕量、气体探测时EOM内存在双调制导致射频信号保真度降低的技术问题，因此非常需要一种能够有效避免EOM产生双调制以使射频信号保真度高的装置及方法。

发明内容

本发明为解决现有技术在对频率调制光谱的残余幅度调制进行抑制时，多是将调制信号加载到电光调制器(EOM)上，使得用于痕量、气体探测时EOM内存在双调制导致射频信号保真度降低的技术问题，提供一种基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法。

本发明所述的基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装置是采用以下技术方案实现的：一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置，包括DFB激光器、位于DFB激光器出射光路上的起偏器，起偏器的出射端通过光纤连接有偏振旋转器，偏振旋转器的出射端通过光纤连接有电光调制器；电光调制器的出射端设有一个分光镜，分光镜的反射光路上顺次设有四分之波片和偏振分束棱镜，偏振分束棱镜的反射光路上设有第一光电探测器，透射光路上设有第二光电探测器，第一、第二光电探测器均为低频响应光电探测器；两个光电探测器相同且共同连接有减法器；减法器的信号输出端顺次连接有PID和高压放大器，高压放大器的信号输出端与偏振旋转器的电压控制端口相连接。

本发明所述的基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制方法是采用以下技术方案实现的：一种基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制方法，DFB激光器出射的激光经过起偏器后耦合到偏振旋转器的入射端光纤中，并经由偏振旋转器的出射端光纤入射至电光调制器的入射端光纤中；从电光调制器出射端光纤出射的激光由分光镜分为两束，其中反射光通过四分之波片和偏振分束棱镜后，被分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并分别被第一、第二光电探测器探测，两个光电探测器将探测到的信号转换成相应的电信号，两路电信号由减法器相减得到H-C误差信号；H-C误差信号通过PID和高压放大器后反馈给偏振旋光器，通过PID对H-C误差信号做放大和积分，由偏振旋光器实现电光调制器中的入射光偏振方向与电光调制器中晶体本身的e轴重合，从而抑制残余幅度调制。

与现有的实验方法相比，本发明通过闭环反馈补偿偏振方向和电光晶体e轴之间由于环境原因产生的夹角是一种全新的抑制电光调制器产生的RAM的方案。该方案通过反馈控制使入射光的偏振角度时刻与EOM的e轴重合，使EOM内不产生双调制，使得RAM无法产生。同时，反馈信号无需通过偏压器加载到EOM上，避免了反馈信号对加载与EOM上射频信号的干扰。

以下是关于本发明的理论分析。

一束线偏激光通过偏振旋转器入射至电光调制晶体时，其偏振方向与xOy坐标系x轴的夹角为θ，为了简化计算，令电光晶体的e轴与x轴重合，o轴与y轴重合。入射光场E_in分解在x轴和y轴上为：

E_in＝E_incosθexp(-iω₀t)+E_insinθexp(-iω₀t)

＝E_xexp(-iω₀t)+E_yexp(-iω₀t)        (1)

其中ω₀为入射光的角频率。给EOM施加角频率为ω_m的调制电场则EOM透射光场E_T成为：

E_T＝E_xexp(-iω₀t)exp[-i(φ_e+δ_esinω_mt)]

+E_yexp(-iω₀t)exp[-i(φ_o+δ_osinω_mt)]      (2)

其中φ_e,o为光场在晶体e轴和o轴上产生的相位延迟，δ_e,o为调制信号产生的相位延迟。

分光镜的透射光路一般用于穿过待测样品气体，穿过样品气体的激光被第三光电探测器接收并进行分析。没有待测样品气体时，第三光电探测器探测到的光强信号为：

$\begin{array}{c}{I}_T={\left|E_T\right|}^2=E_x^2+E_y^2+E_x{E}_y\exp \{-i[{\mathrm{\φ}}_e-{\mathrm{\φ}}_o+({\mathrm{\δ}}_e-{\mathrm{\δ}}_o)\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t\left]\right\}\\ +E_x{E}_y\exp \{-i[{\mathrm{\φ}}_o-{\mathrm{\φ}}_e+({\mathrm{\δ}}_o-{\mathrm{\δ}}_e)\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t\left]\right\}\end{array}---\left(3\right)$

令Δφ＝φ_e-φ_o，M＝δ_e-δ_o，上式可写为：

$\begin{array}{c}{I}_T=E_{\mathrm{in}}^2+E_{\mathrm{in}}^2\sin 2\mathrm{\θ}\cos (\mathrm{\Δ\φ}+M\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t)\\ ={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{in}}^2+E_{\mathrm{in}}^2\underset{k=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k\left(M\right)\cos (\mathrm{\Δ\φ}+k{\mathrm{\ω}}_{m}t)\end{array}---\left(4\right)$

其中J_k表示k阶贝塞尔函数。

在傅里叶项kω_m处的边带光强为：

$I\left(k{\mathrm{\ω}}_m\right)=E_{\mathrm{in}}^2\sin 2\mathrm{\θ}{J}_k\left(M\right)[\cos (\mathrm{\Δ\φ}+k{\mathrm{\ω}}_{m}t)+{(-1)}^k\cos (\mathrm{\Δ\φ}-k{\mathrm{\ω}}_{m}t)]---\left(5\right)$

对于ω_m奇次谐波项有：

$I\left({\mathrm{k\ω}}_m\right)=2E_{\mathrm{in}}^2\sin 2\mathrm{\θ}{J}_k\left(M\right)\sin \mathrm{\Δ\φ}\sin k{\mathrm{\ω}}_{m}t---\left(6\right)$

当光场中仅存在纯的相位调制时，所有奇次谐波功率皆为0。因此要抑制RAM必须使sin2θ＝0，即偏振光的光轴与电光调制器内部晶体的某一条光轴对准。偏振分束棱镜、第一、第二光电探测器以及减法器构成采集反馈信号的H-C装置。H-C装置中检测到的信号为：

I_x-I_y＝2I₀sin2θsinΔφ         (7)

这是由于H-C装置中的探测器响应速度低于频率调制频率，因此只能探测到低频项。从式(6)式(7)中可看出反馈信号与残余幅度调制信号成线性关系，这是可以实现偏振反馈的理论依据。

一种痕量气体探测装置，包括基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装置；还包括气体检测系统，所述气体检测系统包括顺次位于分光镜的透射光路上的待测气体样品池和第三光电探测器，第三光电探测器的信号输出端连接有功率放大器；所述气体检测系统还包括一个用于产生正弦信号的射频源，射频源的一个信号输出端与电光调制器的电压调制端口相连接，另一个信号输出端顺次连接有移相器、混频器、低通滤波器以及计算机；减法器的信号输出端也与计算机相连接；所述功率放大器的信号输出端与混频器信号输入端相连接。

采用本发明所述的残余幅度抑制装置，可以有效消除残余幅度调制，在此基础上再进行痕量气体检测时，可以使频率调制光谱(FMS)的灵敏度达到理论极限值，大大提高了探测精度。

本发明技术与其它相同类技术相比有以下优点：

1.本发明提出了一种残余幅度调制抑制的新方案，可用于痕量气体检测。

2.本发明使用偏振旋转器作为反馈控制器件，响应带宽为500kHz，可以快速补偿偏振角度的变化。

3.本发明通过偏振旋转器反馈控制EOM入射光偏振方向与其e轴的夹角，对EOM无施加额外信号，提高了射频信号的保真度。

3.本发明对系统的输入输出光的偏振态检测与反馈减低了整套装置的复杂度。

附图说明

图1基于偏振旋转的残余幅度调制抑制装置结构示意图。

1-DFB激光器，2-起偏器，3-偏振旋转器，4-电光调制器，5-分光镜，6-四分之波片，7-偏振分束棱镜，8-待测气体样品池，9-第一光电探测器，10-第二光电探测器，11-减法器，12-PID，13-高压放大器，14-第三光电探测器，15-功率放大器，16-射频源，17-移相器，18-混频器，19-低通滤波器，20-计算机。

图2为扫描偏振旋转器的电压实现偏振旋转得到的FM背景信号与H-C检偏装置误差信号。由于偏振旋转器在0-80V时旋转角度与外加电压存在非线性响应，因此FM背景信号和H-C误差信号不是单频的正弦信号。可见当EOM入射光的偏振角度即与e轴的夹角在变化时，FM背景信号和H-C误差信号的强度都是成正弦变化，与理论一致。

图3为基于偏振旋转器反馈开环与闭环探测到的未加入气体吸收池时的频率调制信号。a图为开环时存在残余幅度调制时的FM信号。由于光纤双折射和电光调制器的温度变化导致入射偏振光的偏振方向与电光调制器的e轴不重合，致使频率调制信号存在一定偏置和起伏。b图闭环时RAM被抑制的FM信号。通过偏振旋转器对入射电光调制器的偏振光角度的主动反馈控制，使两者长时间内都可保持一致，残余幅度调制得到了有效抑制。

图4为基于偏振旋转器反馈回路的开启与关闭测量得到的乙炔气(C₂H₂)在波数为6531.3141cm^-1处的吸收线。当扫描激光频率时，输出光的偏振角度也会被扫描，因此H-C装置获得的信号也存在周期性的变化，如图4b中反馈断开时的HC信号所示。因此在测量气体吸收线的FM信号时必然存在RAM背景噪声。开启偏振旋转器反馈回路后，扫描过程引起的角度变化将会被偏振旋转器实时补偿，因此可以有效抑制RAM噪声。

具体实施方式

一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置，包括DFB激光器1、位于DFB激光器1出射光路上的起偏器2，起偏器2的出射端通过光纤连接有偏振旋转器3，偏振旋转器3的出射端通过光纤连接有电光调制器4；电光调制器4的出射端设有一个分光镜5，分光镜5的反射光路上顺次设有四分之波片6和偏振分束棱镜7，偏振分束棱镜7的反射光路上设有第一光电探测器9，透射光路上设有第二光电探测器10，第一、第二光电探测器均为低频响应光电探测器；两个光电探测器相同且共同连接有减法器11；减法器11的信号输出端顺次连接有PID 12和高压放大器13，高压放大器13的信号输出端与偏振旋转器3的电压控制端口相连接。

一种基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制方法，DFB激光器1出射的激光经过起偏器2后耦合到偏振旋转器3的入射端光纤中，并经由偏振旋转器3的出射端光纤入射至电光调制器4的入射端光纤中；从电光调制器4出射端光纤出射的激光由分光镜5分为两束，其中反射光通过四分之波片6和偏振分束棱镜7后，被分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并分别被第一、第二光电探测器探测，两个光电探测器将探测到的信号转换成相应的电信号，两路电信号由减法器11相减得到H-C误差信号；H-C误差信号通过PID 12和高压放大器13后反馈给偏振旋光器3，通过PID对H-C误差信号做放大和积分，由偏振旋光器3实现电光调制器4中的入射光偏振方向与电光调制器4中晶体本身的e轴重合，从而抑制残余幅度调制。

一种痕量气体探测装置，包括基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装置；还包括气体检测系统，所述气体检测系统包括顺次位于分光镜5的透射光路上的待测气体样品池8和第三光电探测器14，第三光电探测器14的信号输出端连接有功率放大器15；所述气体检测系统还包括一个用于产生正弦信号的射频源16，射频源16的一个信号输出端与电光调制器4的电压调制端口相连接，另一个信号输出端顺次连接有移相器17、混频器18、低通滤波器19以及计算机20；减法器11的信号输出端也与计算机20相连接；所述功率放大器15的信号输出端与混频器18信号输入端相连接。

所述第一、第二光电探测器均为低频响应光电探测器；所述第三光电探测器14采用高速探测器。

下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。

按照图1所示，DFB激光器1输出激光后为了保证其线偏性先通过起偏器2对激光进行偏振过滤。改变起偏器2的角度，使得线偏振光耦合到偏振旋转器3的保偏光纤主光轴中，从而使偏振旋转器3的输出光为线偏振光。偏振旋转器3输出端直接与电光调制器4输入端相连。电光调制器输出的激光由分光镜5分束。透射光经过待测样品池8后被第三光电探测器(高速探测器)14探测用来获得FM信号。反射光通过四分之波片6和偏振分束棱镜7后被分成偏振方向相互垂直的两束光并分别被两个相同的低频响应光电探测器探测，得到的光强信号在减法器11中相减产生误差信号。如果电光调制器4的入射光偏振方向与电光晶体主光轴不一致，由于晶体的双折射效应就会使输出光变为椭圆偏振光，经H-C装置后减法器输出信号就不为零。一路误差信号经PID12调整后传送给偏振旋转器3的高压驱动器13实现偏振方向的旋转。另一路误差信号被送入计算机中进行监测和数据采集。另外由射频源16输出的384MHz正弦信号被分为两路：一路用来调制电光调制器4，另一路通过移相器17送入混频器18与高速探测器14获得并由功率放大器15放大后的信号混频，输出的频率调制信号由低通滤波器19过滤高频噪声后送入计算机20进行数据采集。

在抑制残余幅度调制的实验过程中，首先改变偏振旋转器3上的偏置电压使得低通滤波器19输出的FM信号为0，此时可由理论所知输出激光为线偏光，转动四分之波片6，令减法器输出的信号为0，这时四分之波片的主光轴与输出光的偏振方向夹角为45度，线偏光就被四分之波片和偏振分束棱镜7分解为光强相等的水平和垂直偏振光分量。如果电光调制器晶体的光轴和偏振光方向有偏移，则通过H-C装置和偏振旋转器组成的负反馈系统就可以改变入射光的偏振方向从而消除残余幅度调制。图3为探测了450秒内反馈系统开环与闭环的FM信号。从3图可以看出自由运行时，FM信号中包含有残余幅度调制信号，偏置为-0.01V，并在-0.01V～-0.014V之间漂移。闭环之后不仅消除了偏置电压，同时FM信号被锁定在0V。从图4中可见，当在系统中加入气体池测量时，开启偏振旋转器反馈后可以在探测低浓度的乙炔气体浓度时提高信噪比。

Claims (4)

1.一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置，其特征在于，包括DFB激光器（1）、位于DFB激光器（1）出射光路上的起偏器（2），起偏器（2）的出射端通过光纤连接有偏振旋转器（3），偏振旋转器（3）的出射端通过光纤连接有电光调制器（4）；电光调制器（4）的出射端设有一个分光镜（5），分光镜（5）的反射光路上顺次设有四分之波片（6）和偏振分束棱镜（7），偏振分束棱镜（7）的反射光路上设有第一光电探测器（9），透射光路上设有第二光电探测器（10），第一、第二光电探测器均为低频响应光电探测器；两个光电探测器相同且共同连接有减法器（11）；减法器（11）的信号输出端顺次连接有PID （12）和高压放大器（13），高压放大器（13）的信号输出端与偏振旋转器（3）的电压控制端口相连接。

2.一种采用如权利要求1所述基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置对频率调制光谱中的残余幅度进行抑制的方法，其特征在于，DFB激光器（1）出射的激光经过起偏器（2）后耦合到偏振旋转器（3）的入射端光纤中，并经由偏振旋转器（3）的出射端光纤入射至电光调制器（4）的入射端光纤中；从电光调制器（4）出射端光纤出射的激光由分光镜（5）分为两束，其中反射光通过四分之波片（6）和偏振分束棱镜（7）后，被分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并分别被第一、第二光电探测器探测，两个光电探测器将探测到的信号转换成相应的电信号，两路电信号由减法器（11）相减得到H-C误差信号；H-C误差信号通过PID （12）和高压放大器（13）后反馈给偏振旋转器（3），通过PID对H-C误差信号做放大和积分，由偏振旋转器（3）实现电光调制器（4）中的入射光偏振方向与电光调制器（4）中晶体本身的e轴重合，从而抑制残余幅度调制。

3.一种痕量气体探测装置，包括如权利要求1所述的基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置；其特征在于，还包括气体检测系统，所述气体检测系统包括顺次位于分光镜（5）的透射光路上的待测气体样品池（8）和第三光电探测器（14），第三光电探测器（14）的信号输出端连接有功率放大器（15）；所述气体检测系统还包括一个用于产生正弦信号的射频源（16），射频源（16）的一个信号输出端与电光调制器（4）的电压调制端口相连接，另一个信号输出端顺次连接有移相器（17）、混频器（18）、低通滤波器（19）以及计算机（20）；减法器（11）的信号输出端也与计算机（20）相连接；所述功率放大器（15）的信号输出端与混频器（18）信号输入端相连接。

4.如权利要求3所述的痕量气体探测装置，其特征在于，所述第三光电探测器（14）采用高速探测器。