CN105043996A - 光谱仪的光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光谱仪的光谱测量方法，所述方法包括以下步骤：采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号；将所述光信号耦合入射到光学谐振腔；采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线；依据上述获取的所述吸收光谱线，通过数据处理得到所述样品的吸收谱图和样品浓度信息。本发明的光谱仪的光谱测量方法除检测灵敏度高之外，还具有更宽的光谱探测能力，能够实现有效光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现样品多组分的高灵敏度同时探测功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的。

Description

光谱仪的光谱测量方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，特别是涉及一种光谱仪的光谱测量方法。

背景技术

传统衰荡吸收光谱仪（CavityRingdownSpectroscopy，CRDS），以下简称CRDS光谱仪和腔增强吸收光谱仪（CavityEnhancedSpectroscopy，CEAS）以下简称CEAS光谱仪的关键部件为由高反射率镜片组成的光学谐振腔，组成所述CRDS光谱仪和CEAS光谱仪的谐振腔的长度一般都在1m以内，典型的长30cm至70cm。因此，要在如此短的吸收池内提高探测灵敏度往往从提高镜片的反射率入手。

相应的，现有技术中，客观存在的事实是：提高镜片的反射率会受到诸多限制；例如：首先，在紫外和红外波段镀膜困难，限制了该技术在紫外和红外波段的应用；其次，在一个较宽的光学频段很难同时获得高的反射率，限制了该技术的多组分同时探测的能力；最后，由于镜片上的膜层会受环境中水分等的影响，镜片反射率随着使用会下降，导致探测灵敏度下降，甚至导致测量结果不准确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种光谱仪的光谱测量方法，在所述光谱仪中采用了一种基于棱镜的光学谐振腔。所述光学谐振腔由至少两个棱镜所组成，所述光信号起偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角度入射进光学谐振腔；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。基于棱镜的光学谐振腔可有效克服高反射率镜片需要镀膜问题所带来的一系列技术缺陷。此外，本发明的提供一种光谱仪的光谱测量方法及系统还能够实现光程在线标定、去除光学谐振腔的光学噪声、并通过所述光学谐振腔的姿态调整功能和腔长扫描等功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的要求。

相应的，本发明的一种光谱仪的光谱测量方法，所述方法包括以下步骤：接收由光源发出的光信号；

采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号；

采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线；

依据上述获取的所述吸收光谱线，通过数据处理得到所述样品的吸收谱图和样品浓度信息。

作为本发明的进一步改进，所述光学谐振腔由一组棱镜组成，所述光信号起偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角度入射进光学谐振腔。

所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CRDS光谱仪，所述光信号为激光；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减；

采集衰减后的所述激光信号；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；

通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α；

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CRDS光谱仪，所述光信号为宽带可调谐激光光源；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减；

采集衰减后的所述激光信号；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；

通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α；

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CEAS光谱仪，所述光信号为激光；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当空腔时，所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

I₀；采集存在所述样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I;

利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

作为本发明的进一步改进，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CEAS光谱仪，所述光信号为宽带光源；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

获取波长为λi的光的光强；当空腔时，所述光学谐振腔输出的波长为λi的光的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

采集光学谐振腔为空时的宽带光源信号I₀；

采集存在样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I;

利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

λi是光谱上的任一波长点，是光频率为处所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小；

所述宽带CEAS光谱仪用于采集宽带光信号的光谱信息，所述宽带CEAS光谱仪包括：分光光谱仪、滤光片光谱仪、阿达玛变换光谱仪、傅里叶变换光谱仪、非色散光谱仪中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述方法还还包括以下步骤：

向所述光学谐振腔发送高频信号，快速改变所述光学谐振腔的腔长，以去除所述光学谐振腔的光学噪声。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括以下步骤：

监测所述光学谐振腔为空时的衰荡时间，并将其和所述光学谐振腔的理论衰荡时间对比，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，

若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔；

若否，继续下一步骤。

作为本发明的进一步改进，所述“若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔”具体包括：

通过至少一块所述棱镜上的至少一块PZT改变所述光学谐振腔的在x方向、y方向、z方向中至少其中一个方向的参数，以及改变角度参数，进而调整所述光学谐振腔的姿态；

判断调整后实际测量的所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比；

若是，发出故障告警，待解决故障后，再继续下一步骤；

若否，判断系统正常运行。

作为本发明的进一步改进，所述样品为气体或液体；

所述光学谐振腔中还包括：光声池或液体器皿中的至少一种；

所用光源包括激光光源、宽带光源中的至少一种。

与现有技术相比，本发明的光谱仪的光谱测量方法在高精测灵敏度的基础上，还具有更宽的光谱探测能力，能够实现光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、同时具有腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现多组分的高灵敏度同时探测功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的，进一步的，当所述光谱仪为CEAS光谱仪时，无需对所述光学谐振腔的腔长进行扫描，简化了装置，极大拓宽了CEAS光谱仪的技术应用。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量方法流程图；

图2是图1中步骤S3的第一、二实施方式的流程示意图；

图3是图1中步骤S3的第三实施方式的流程示意图；

图4是图1中步骤S3的第四实施方式的流程示意图；

图5是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量系统的模块示意图；

图6是本发明实施方式中所述光学谐振腔的结构示意图；

图7是本发明实施方式中所述光学谐振腔的调整姿态的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，图1是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量方法流程图；

相应的，在本发明的第一实施方式中，所述光谱仪的光谱测量方法是通过基于激光光源的CRDS光谱仪实现的，所述方法包括以下步骤：

S1、接收由光源发出的光信号；

本实施方式中，采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号。

所述光源根据探测技术和使用要求的不同可以有不同的形式，包括但不限于激光光源、宽带光源，以及它们的任意组合等。在本发明的第一实施方式中，选定所述光源为激光光源。

S2、将所述光信号耦合入射到光学谐振腔；

相应的，所述光信号为激光信号，将所述光信号起偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角耦合入射进光学谐振腔；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

优选的，所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.1度到5度之间。

所述P偏振态是英文parallelpolarizaedlight的简称。

结合图6所示，图6是本发明实施方式中所述光学谐振腔的结构示意图；所述光学谐振腔是由一组棱镜组成，其包括：固定设置于所述光学谐振腔内的第一棱镜601，以及相对所述第一棱镜601活动设置的第二棱镜603，用于增加吸收光程，提高系统测量灵敏度。

组成该光学谐振腔的材料可视应用的不同和加工的难易程度、成本等考虑来选择合适的材料，例如：熔融石英、蓝宝石、氟化钙、金刚石等。

进一步的，所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的几何形状、材料的折射率，以及第一棱镜601和所述第二棱镜603之间的距离满足一定的位置关系时，所述光学谐振腔是一个稳定的谐振腔并且光路是闭合的。

相应的，当任一棱镜的折射率时，

设定

所述第一棱镜601和所述第二棱镜603之间的距离,该光学谐振腔满足稳定性条件。

其中为EF面的曲率半径，主要作用在于使所述光激光光束不致发散过大，Lp为单个棱镜内光传播的长度，。

此时，当所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的参数及其之间的距离满足以上设定时，且入射光以偏离布儒斯特角入射到第一棱镜601时，可形成如图6所示的光路，在所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的内表面发生的反射均为全反射；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

相应的，当任一棱镜的折射率，设定棱镜的参数关系为：

腔镜之间的距离,该光学谐振腔满足稳定性条件。

其中为EF面的曲率半径，主要作用在于使所述光激光光束不致发散过大，Lp为单个棱镜内光传播的长度，。

此时，当所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的参数及其之间的距离满足以上设定时，且入射光以偏离布儒斯特角入射到第一棱镜601时，可形成如图6所示的光路，在所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的内表面发生的反射均为全反射；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

优选的，在本发明的具体实施方式中，所述光学谐振腔中的第一棱镜601以及所述第二棱镜603的材料均为熔融石英，；；；；；；；；；所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的高度均为15mm。

S3、采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线；

结合图2所示，所述步骤S3具体包括：

M1、离散的改变激光输出波长；

当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；所述系统预设阈值的参数没有固定值，在本发明的优选实施方式中，设定所述系统预设阈值为3V。

选定一定的周期，采用离散扫描模式进行扫描监测所述光学谐振腔输出的光强，即步长可以是均匀的，也可以是非均匀的；所述周期设定为0.2s左右；每当所述激光耦合进入所述光学谐振腔时，判断所述光学谐振腔输出的光强电压信号是否达到3V；若是，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；若否，继续监测所述光强的数值，等待下一次衰荡事件的触发，如此往复。

本发明一实施方式中，在每周期内，约测量80次左右的衰荡事件，取平均值降低噪音；在0.99cm^-1范围内扫描1000步。

M2、对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减。

相应的，对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，由所述光学谐振腔自身反射损耗和气体的吸收作用，使所述光学谐振腔内的光信号强度迅速衰减。

M3、采集衰减后的所述光信号。

M4、以衰减后的所述光信号作为基础数据，制作样品的吸收光谱；

相应的，分别采集所述光学谐振腔为空和存在样品时，衰减后的所述激光信号；

将所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；

通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α；

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

S4、依据上述获取的所述吸收光谱，通过数据处理得到待测样品的吸收谱图和待测样品浓度信息。

进一步的，在所述样品的吸收谱线的中心附近扫描所述光信号的波长，得到所述光信号中的吸收光谱线上各波长点处的所述样品的吸收率α以及所述样品的分子吸收光谱；

根据所述吸收光谱线，通过数据处理得到样品浓度信息。

所述样品的浓度C和吸收系数关系如下：

其中，S为吸收谱线强度，，，，p为所述样品所处环境压力，T为温度。

相应的，所述步骤S5还包括：向所述光学谐振腔发送高频信号，所述高频信号为声频信号，例如：向所述光学谐振腔发送1KHz，2KHz等的高频信号，以快速改变所述光学谐振腔的腔长，去除所述光学谐振腔的光学噪声。

例如：固定向所述第一棱镜601或所述第二棱镜603上的PZT（压电陶瓷，piezoelectricceramictransducer），控制单元发送高频信号，去除所述光学谐振腔的光学噪声。

相应的，在当前工作条件下，发射出脉宽小于1微秒的激光用来监测所述光学谐振腔为空时的衰荡时间，并将其和所述光学谐振腔的理论衰荡时间对比，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比。

例如：判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间的70%；亦或，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间的80%；

若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔。

进一步的，使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间，或或接近预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，以保证所述光学谐振腔工作在最佳状态。

例如：使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间的85%；亦或，使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间的95%；若否，继续下一步骤。

相应的，结合如图7所示，图3是本发明实施方式中所述光学谐振腔的调整姿态的结构示意图。

所述光学谐振腔的调整姿态，可通过至少一块PZT或其他具有平移旋转功能的机械结构等来实现，从而改变所述光学谐振腔x方向、y方向、z方向参数，从而改变角度参数。

姿态调整机构捕获到该失调信号，通过调整所述光学谐振腔中第一棱镜601和第二棱镜603的相互位置关系，保证谐振腔工作在最佳状态。

所述光学谐振腔包括两个棱镜室，分别为第一棱镜601室和第二棱镜603室，分别用于装载第一棱镜601和第二棱镜603，其中，第一棱镜601室中的第一棱镜601是固定的，当发生失调时，仅通过调节第二棱镜603室中的第二棱镜603的姿态来达到调节目的。

第二棱镜603包括第一旋转装置6031，第二旋转装置6032以及第三旋转装置6033，当发生失调时，调整第二棱镜603相对于第一棱镜601的位置具体包括以下步骤：

P1，调整第二旋转装置6032，使第二棱镜603在yz水平面内以一定步长旋转，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时对应的旋转角度，将第二棱镜603固定在此角度。

P2，调整第一旋转装置6031在y方向以一定步长平移，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时的位移量，将第二棱镜603固定在固定在此位置。

P3，调整第一旋转装置6031，使所述光学谐振腔在xy竖直面内以一定步长旋转，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时对应的旋转角度，将第二棱镜603固定在此角度。

以此类推，将上述步骤反复交替进行，找到所述第二棱镜603相对于第一棱镜601的最优位置，直到所述光学谐振腔的衰荡信号接近理论值。

需要说明的是，上述调整步骤的顺序并不是唯一的，本领域的技术人员可以按需变换调整步骤，在此不做详细赘述。

进一步的，若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值，或达不到预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，则发出故障告警。

例如：若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值的85%，则发出故障告警；亦或，若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值的95%，则发出故障告警。

此时，需要介入人工干预，解决故障；待解决故障后，再继续运行系统。

所述故障的原因有多种，例如：光学谐振腔的第一棱镜601和第二棱镜603是否存在污染，各个零部件之间是否弛豫，或是其他因素引起的光学谐振腔中的第一棱镜601或第二棱镜603位置变化等。

当然，在所述步骤S5中，还可以采集或计算得出的所述激光的吸收光谱线、分子光谱吸收强度、浓度值等数据和图像信息输出，在此不做详细赘述。

需要说明的是，上述实施方式中，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CRDS光谱仪，所述光信号为激光。在本发明的第二实施方式中，所述光谱仪的光谱测量方法是通过设置有所述光学谐振腔的宽带CRDS光谱仪实现的，所述光信号为宽带可调谐激光光源，所述第二实施方式的测量方法和第一实施方式的测量方法相同，在此不做详细赘述。

所述样品可为气体、液体等，另外，在所述光学谐振腔中也可附加光声池，液体器皿等测量附件，在此不做详细赘述。

与现有技术相比，本发明的基于激光光源的CRDS光谱仪的光谱测量方法除检测灵敏度高之外，还具有更宽的光谱探测能力，能够实现光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、同时具有腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现多组分的高灵敏度同时探测功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的。

结合图3所示，在本发明的第三实施方式中，所述光谱仪的光谱测量方法是通过基于激光光源的CEAS光谱仪实现的，本发明第三实施方式的基于激光光源的CEAS光谱仪的光谱测量方法与所述第一实施方式的提供的基于激光光源的CRDS光谱仪的光谱测量方法大致相同，其区别在于步骤S3中求取所述样品对波长的吸收率α的算法。

相应的，所述步骤S3中求取所述样品对波长的吸收率α的算法具体包括：

N1、离散的改变激光输出波长；

当空腔时，所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

N2、将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

N3、采集光学谐振腔为空时的激光信号I₀；采集存在所述样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I；

N4、以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱；

所述步骤N4具体包括：

利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

标定等效吸收光程；

等效吸收光程的理论表达式为：

进一步的得出：；三是光频率为处所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

结合图4所示，在本发明的第四实施方式中，所述光谱仪的光谱测量方法是通过基于宽带光源的CEAS光谱仪实现的，所述光信号为宽带光源；所述宽带CEAS光谱仪用于采集宽带光信号的光谱信息，所述宽带CEAS光谱仪包括：分光光谱仪、滤光片光谱仪、阿达玛变换光谱仪、傅里叶变换光谱仪、非色散光谱仪中的一种，在此不做详细赘述。

本发明第四实施方式的基于宽带光源的CEAS光谱仪的光谱测量方法与所述第三实施方式的提供的基于激光光源的CEAS光谱仪的光谱测量方法大致相同，其区别在于步骤N1。

第四实施方式中的步骤R1对应第三实施方式的步骤N1，获取波长为λi的光的光强；当空腔时，所述光学谐振腔输出的波长为λi的光的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；λi是光谱上的任一波长点。其他相同步骤R2、R3、R4与第三实施方式的步骤N1、N2、N3相同，在此不做继续赘述。

与现有技术相比，本发明的基于激光光源的激光CEAS光谱仪的光谱测量方法，或基于宽带光源的激光CEAS光谱仪的光谱测量方法，除检测灵敏度高之外，还具有更宽的光谱探测能力，能够实现光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、同时具有腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现多组分的高灵敏度同时探测功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的，进一步的，当所述光谱仪为CEAS光谱仪时，无需对所述光学谐振腔的腔长进行扫描，简化了装置，极大拓宽了CEAS光谱仪的技术应用。

如图5所示，图5是本发明实施方式提供的光谱仪的光谱测量系统的模块示意图。

相应的，所述光谱仪的光谱测量系统包括：光源控制模块10、光源模块20、外光路调整模块30、数据采集和处理模块40、数据和图像输出模块50；

光源控制模块10用于控制光源模块20的打开或关闭、频率调制、电流调谐、温度调谐。

光源模块20用于发出光信号，所述光信号根据探测技术和使用要求的不同可以有不同的形式，包括但不限于激光光源、宽带光源，以及它们的任意组合等。

本发明第一实施方式中，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CRDS光谱仪，所述光信号为激光；或，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CRDS光谱仪，所述光信号为宽带可调谐激光光源。

所述外光路调整模块30用于接收由光源发出的光信号，将所述光信号耦合入射到光学谐振腔。

外光路调整模块30包括：起偏装置301、光学耦合装置303、切光装置305。

所述起偏装置301用于将所述光信号起偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角入射进光学谐振腔；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间；优选的，所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.1度到5度之间。

所述光学耦合装置303用于将所述光信号耦合入射到光学谐振腔。

结合图6所示，所述光学谐振腔由一组棱镜组成，其包括：固定设置于所述光学谐振腔60内的第一棱镜601，以及相对所述第一棱镜601活动设置的第二棱镜603，用于增加吸收光程，提高系统测量灵敏度。

组成该光学谐振腔的材料可视应用的不同和加工的难易程度、成本等考虑来选择合适的材料，例如：熔融石英、蓝宝石、氟化钙、金刚石等。

进一步的，所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的几何形状、材料的折射率，以及第一棱镜601和所述第二棱镜603之间的距离满足一定的位置关系时，所述光学谐振腔是一个稳定的谐振腔并且光路是闭合的。

相应的，当任一棱镜的折射率时，

所述第一棱镜601和所述第二棱镜603之间的距离,该光学谐振腔满足稳定性条件。

其中为EF面的曲率半径，主要作用在于使所述光激光光束不致发散过大，Lp为单个棱镜内光传播的长度，。

此时，当所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的参数及其之间的距离满足以上设定时，且入射光以偏离布儒斯特角入射到第一棱镜601时，可形成如图6所示的光路，在所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的内表面发生的反射均为全反射；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

相应的，当任一棱镜的折射率，设定棱镜的参数关系为：

腔镜之间的距离,该光学谐振腔满足稳定性条件。

其中为EF面的曲率半径，主要作用在于使所述光激光光束不致发散过大，Lp为单个棱镜内光传播的长度，。

此时，当所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的参数及其之间的距离满足以上设定时，且入射光以偏离布儒斯特角入射到第一棱镜601时，可形成如图2所示的光路，在所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的内表面发生的反射均为全反射；所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

优选的，在本发明的具体实施方式中，所述光学谐振腔中的第一棱镜601以及所述第二棱镜603的材料均为熔融石英，；；；；；；；；；所述第一棱镜601和所述第二棱镜603的高度均为15mm。

切光装置305用于采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线；

切光装置305具体用于离散的改变激光输出波长，当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；所述系统预设阈值的参数没有固定值，在本发明的优选实施方式中，设定所述系统预设阈值为3V。

切光装置305选定一定的周期，采用离散扫描模式进行扫描监测所述光学谐振腔输出的光强，即步长可以是均匀的，也可以是非均匀的；所述周期设定为0.2s左右；每当所述激光耦合进入所述光学谐振腔时，判断所述光学谐振腔输出的光强电压信号是否达到3V；若是，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；若否，继续监测所述光强的数值，等待下一次衰荡事件的触发，如此往复。

本发明一实施方式中，在每周期内，约测量80次左右的衰荡事件，取平均值降低噪音；在0.99cm^-1范围内扫描1000步。

外光路调整模块30用于对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减。

外光路调整模块30对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，由所述光学谐振腔自身反射损耗和气体的吸收作用，使所述光学谐振腔内的光信号强度迅速衰减。

本实施方式中，当所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的激光CRDS光谱仪，所述光信号为激光时，数据采集和处理模块40用于采集衰减后的所述光信号。

数据采集和处理模块40分别采集分别采集所述光学谐振腔为空和存在样品时，衰减后的所述激光信号；将所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α。

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

进一步的，数据采集和处理模块40依据上述获取的所述吸收光谱，通过数据处理得到待测样品的吸收谱图和待测样品浓度信息。

数据采集和处理模块40在所述样品的吸收谱线的中心附近扫描所述光信号的波长，得到所述光信号中的吸收光谱线上各波长点处的所述样品的吸收率α以及所述样品的分子吸收光谱；根据所述吸收光谱线，通过数据处理得到样品浓度信息和样品的吸收谱图。

所述样品的浓度C和吸收系数关系如下：

其中，S为吸收谱线强度，，，，p为所述样品所处环境压力，T为温度。

数据采集和处理模块40还用于向所述光学谐振腔发送高频信号，所述高频信号为声频信号，例如：向所述光学谐振腔发送1KHz，2KHz等的高频信号，以快速改变所述光学谐振腔的腔长，去除所述光学谐振腔的光学噪声。

优选的，数据采集和处理模块40固定向所述第一棱镜601或所述第二棱镜603上的PZT控制单元发送高频信号，去除所述光学谐振腔的光学噪声。

例如：固定向所述第一棱镜601或所述第二棱镜603上的PZT（压电陶瓷，piezoelectricceramictransducer），控制单元发送高频信号，去除所述光学谐振腔的光学噪声。

数据采集和处理模块40还包括：光电探测装置401，监测单元403、姿态调整单元405。

光电探测装置401用于接收和探测所述光学谐振腔输出的光，并转化成光电信号，进行信号的滤波、放大、模数转换等处理；监测单元403用于在线实时标定光学谐振腔的等效吸收光程及监控腔的工作状态及故障告警，并提供监测信号给姿态调整单元405。

相应的，在当前工作条件下，监测单元403发射出脉宽小于1微秒的激光用来监测所述光学谐振腔为空时的衰荡时间，并将其和所述光学谐振腔的理论衰荡时间对比，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比；

例如：判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间的70%；亦或，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间的80%；

若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔。

进一步的，使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间，或或接近预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，以保证所述光学谐振腔工作在最佳状态。

例如：使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间的85%；亦或，使所述光学谐振腔的实际测量衰荡时间接近理论衰荡时间的95%；若否，继续下一步骤。

相应的，结合如图7所示。

姿态调整单元405对所述光学谐振腔做调整姿态，可通过至少一块PZT或其他具有平移旋转功能的机械结构等来实现，从而改变所述光学谐振腔的x方向、y方向、z方向参数，从而改变角度参数。

姿态调整单元405捕获到该失调信号，通过调整所述光学谐振腔中第一棱镜601和第二棱镜603的相互位置关系，保证谐振腔工作在最佳状态。

所述光学谐振腔包括两个棱镜室，分别为第一棱镜601室和第二棱镜603室，分别用于装载第一棱镜601和第二棱镜603，其中，第一棱镜601室中的第一棱镜601是固定的，当发生失调时，仅通过调节第二棱镜603室中的第二棱镜603的姿态来达到调节目的。

第二棱镜603包括第一旋转装置6031，第二旋转装置6032以及第三旋转装置6033，当发生失调时，调整第二棱镜603相对于第一棱镜601的位置。

首先，调整第二旋转装置6032，使第二棱镜603在yz水平面内以一定步长旋转，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时对应的旋转角度，将第二棱镜603固定在此角度。

其次，调整第一旋转装置6031在y方向以一定步长平移，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时的位移量，将第二棱镜603固定在固定在此位置。

最后，调整第一旋转装置6031，使所述光学谐振腔在xy竖直面内以一定步长旋转，同时监测此时所述光学谐振腔内的衰荡信号，找到信号最大时对应的旋转角度，将第二棱镜603固定在此角度。

以此类推，将上述调整过程反复交替进行，找到第二棱镜603相对于第一棱镜601的最优位置，直到所述光学谐振腔的衰荡信号接近理论值。

需要说明的是，上述调整过程的顺序并不是唯一的，本领域的技术人员可以按需变换调整步骤，在此不做详细赘述。

进一步的，若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值，或达不到预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，则发出故障告警。

例如：若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值的85%，则发出故障告警；亦或，若姿态调整过后，所述光学谐振腔的衰荡时间达不到理论值的95%，则发出故障告警。

此时，需要介入人工干预，解决故障；待解决故障后，再继续运行系统。

所述故障的原因有多种，例如：光学谐振腔的第一棱镜601和第二棱镜603是否存在污染，各个零部件之间是否弛豫，或是其他因素引起的光学谐振腔中的第一棱镜601或第二棱镜603位置变化等。

数据和图像输出模块50用于采集或计算得出的所述激光的吸收光谱线、分子光谱吸收强度、浓度值等数据和图像信息输出，在此不做详细赘述。

需要说明的是，上述样品可为气体、液体等，另外，在所述光学谐振腔中也可附加光声池，液体器皿等测量附件，在此不做详细赘述。

本发明第二实施方式中，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CEAS光谱仪，所述光信号为激光。

该实施方式中，通过数据采集和处理模块40求取所述样品对波长的吸收率α的算法过程中，数据采集和处理模块40的处理过程相较于第一实施方式发生相应的变化，该过程中，数据采集和处理模块40用于：

离散的改变激光输出波长；

当空腔时，所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

采集光学谐振腔为空时的激光信号I₀；采集存在所述样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I；以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱。

数据采集和处理模块40利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

标定等效吸收光程；

等效吸收光程的理论表达式为：

进一步的得出：；是光频率为处所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

其它模块的处理过程与上述第一实施方式相同，在此不做详细赘述。

本发明的第三实施方式中，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽度光源的CEAS光谱仪，所述光信号为宽带光源。所述宽带CEAS光谱仪包括：分光光谱仪、滤光片光谱仪、阿达玛变换光谱仪、傅里叶变换光谱仪、非色散光谱仪中的一种，在此不做详细赘述。

该实施方式中，通过数据采集和处理模块40求取所述样品对波长的吸收率α的算法过程中，数据采集和处理模块40的处理过程相较于第二实施方式发生相应的变化，该过程中，数据采集和处理模块40用于：获取波长为λi的光的光强；当空腔时，所述光学谐振腔输出的波长为λi的光的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；λi是光谱上的任一波长点。其它模块的处理过程与上述第二实施方式相同，在此不做详细赘述。

与现有技术相比，本发明的光谱仪的光谱测量方法及系统除检测灵敏度高之外，还具有更宽的光谱探测能力，能够实现光程的在线标定、去除所述光学谐振腔的光学噪声、同时具有腔镜姿态调整功能或腔长扫描功能，可以实现多组分的高灵敏度同时探测功能，满足对样品进行长时间连续准确实时监测的目的，进一步的，当所述光谱仪为CEAS光谱仪时，无需对所述光学谐振腔的腔长进行扫描，简化了装置，极大拓宽了CEAS光谱仪的技术应用。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以保存在保存介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是嵌入式设备、个人计算机，信息推送服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、信息推送服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理模块系统、基于微处理模块的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括保存设备在内的本地和远程计算机保存介质中。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采用光学耦合装置接收由光源发出的光信号；

将所述光信号耦合入射到光学谐振腔；

采集光学谐振腔输出的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线；

依据上述获取的所述吸收光谱线，通过数据处理得到所述样品的吸收谱图和样品浓度信息。

2.根据权利要求1所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，

所述光学谐振腔由一组棱镜组成，所述光信号起偏为P偏振态的偏振光信号，以偏离布儒斯特角度入射进光学谐振腔；

所述偏离布儒斯特角的取值范围为0.01度到10度之间。

3.根据权利要求2所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CRDS光谱仪，所述光信号为激光；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减；

采集衰减后的所述激光信号；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；

通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α；

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

4.根据权利要求2所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CRDS光谱仪，所述光信号为宽带可调谐激光光源；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

对所述光学谐振腔内的光信号进行振荡，以使所述光信号的强度迅速衰减；

采集衰减后的所述激光信号；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间t和τ₀；

通过衰荡时间t和τ₀计算出所述样品对波长的吸收率α；

其中，，

是所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，τ是存在样品时的衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

5.根据权利要求2所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的CEAS光谱仪，所述光信号为激光；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

离散的改变激光输出波长；

当空腔时，所述光学谐振腔输出的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

采集光学谐振腔为空时的激光信号I₀；采集存在所述样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I;

利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

是光频率为处所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小。

6.根据权利要求2所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱仪为设置有所述光学谐振腔的宽带CEAS光谱仪，所述光信号为宽带光源；

所述“采集透过光学谐振腔的所述光信号，并以采集到的数据为基础数据，制作样品的吸收光谱线”具体包括：

获取波长为λi的光的光强；

当空腔时，所述光学谐振腔输出的波长为λi的光的光强达到系统预设阈值时，切断光路，阻止所述光信号向所述光学谐振腔内入射；

将衰减后的所述激光信号经模数转换后依指数关系拟合出衰荡时间τ₀；

采集光学谐振腔为空时的宽带光源信号I₀；

采集存在样品时，所述光学谐振腔持续输出的光强信号I;

利用光学谐振腔的等效反射率R、衰荡时间t₀或者空腔时的等效池长L_eff，计算出所述样品对波长的吸收率α；

λi是光谱上的任一波长点，是光频率为处所述样品的吸收率，τ₀是所述光学谐振腔为空时衰荡时间，c是光速，d是所述棱镜之间的距离,n是所述棱镜的折射率，δθ是入射光偏离布儒斯特角的大小；

所述宽带CEAS光谱仪用于采集宽带光信号的光谱信息，所述宽带CEAS光谱仪包括：分光光谱仪、滤光片光谱仪、阿达玛变换光谱仪、傅里叶变换光谱仪、非色散光谱仪中的一种。

7.根据权利要求3、4、5、6任一项所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

向所述光学谐振腔发送高频信号，快速改变所述光学谐振腔的腔长，以去除所述光学谐振腔的光学噪声。

8.根据权利要求7所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

监测所述光学谐振腔为空时的衰荡时间，并将其和所述光学谐振腔的理论衰荡时间对比，判断所述实际测量得到所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比，

若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔；

若否，继续下一步骤。

9.根据权利要求8所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述“若是，判断所述光学谐振腔失调，同时，捕获失调信号，调整所述光学谐振腔”具体包括：

通过至少一块所述棱镜上的至少一块PZT改变所述光学谐振腔的在x方向、y方向、z方向中至少其中一个方向的参数，以及改变角度参数，进而调整所述光学谐振腔的姿态；

判断调整后实际测量的所述光学谐振腔的衰荡时间是否小于所述光学谐振腔的理论衰荡时间或预先设置的实际设置的衰荡时间与理论衰荡时间的百分比；

若是，发出故障告警，待解决故障后，再继续下一步骤；

若否，判断系统正常运行。

10.根据权利要求1所述的光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述样品为气体或液体；

所述光学谐振腔中还包括：光声池或液体器皿中的至少一种；

所用光源包括激光光源、宽带光源中的至少一种。