CN105842193B - 光梳自适应外腔增强光谱检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，具体讲的是通过外腔增强提高自适应光梳光谱测量精度的新技术。本发明提出一种基于外腔增强的光梳探测系统和方法，有效利用了自适应光梳系统中的连续光，先将连续光的光频锁定在光梳重复频率的整倍数上，然后将外腔锁定在连续光的光频，实现模式匹配，最后再将外腔锁定在光梳的重复频率，实现延时匹配，通过逐级锁定的方式，最终将带有气室的外腔锁定在一个光频等于光梳重复频率整倍数的锁频连续光上，提高自适应光梳光谱探测方法的精度。

Description

光梳自适应外腔增强光谱检测系统和方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术范畴，属于激光光谱技术领域。该方法采用外腔增强的方式，将带有气室的外腔锁定在一个光频等于光梳重复频率整倍数的锁频连续光上，提高自适应光梳光谱探测的精度。

背景技术

自适应光梳光谱技术作为近年来科研领域的前沿课题，在提高光梳探测精度的同时，降低了光梳控制难度，通过引入两个连续激光器，与两台自由运转的脉冲激光器拍频，提取出表征光梳飘移的补偿信号，再通过高速数据采样和软件补偿的方式，获得突破多普勒衍射极限的光谱探测精度。

现阶段，自适应光梳光谱技术实质上是将传统光梳技术中功率放大、超连续谱展宽、自参考拍频测量等光学过程用连续光与脉冲光拍频，电路滤波、混频等电学过程代替，其技术目标仍然是改善光梳梳齿在测量过程中的稳定性，即用补偿的方式提高光梳光源的频率稳定度。由于超短脉冲在功率放大、超连续谱展宽、自参考拍频过程中，受到各种非线性效应和探测过程中的外界环境的影响等，难以避免的会引入相位噪声，影响载波包络相位信号的准确性，导致光梳的控制精度受到限制。而在自适应光梳光谱技术中，光学过程仅仅是脉冲光与连续光的拍频，得到拍频信号后，其余滤波、混频处理过程都通过电路实现，处理的信号也只是拍频信号的频率信息，整个过程引入的相位噪声很小，因此能得到更准确的表征光梳抖动信息的补偿信号，实现更精密的光谱测量。

但是在光梳光源与待测气体的相互作用方面，自适应光梳光谱技术并没有显著优势。为增强光梳光源与待测气体的相互作用，提高探测灵敏度，一种方法是增加待测气体与光梳光源的作用长度，通常采用更长的气室，或者折叠光路等结构，但是这种方法会增加光源的损耗。而且，气室过长、加入折叠光路也会增加光梳探测系统的复杂度。另一种方法是通过外腔增强技术，采用电子反馈回路精密控制外腔的腔长，使得入射的脉冲间隔固定的探测光能在外腔中谐振，提高腔内脉冲光的强度，进而提高气体探测的灵敏度。但是，将外腔的腔长与脉冲激光的重复频率精确锁定，需要同时满足模式匹配和延时匹配，两个匹配条件缺一不可，因此在技术实现方面难度高。

综上所述，自适应光梳光谱技术通过两台连续激光器与两台脉冲激光器拍频，引入电路对拍频信号处理，将脉冲激光器载波包络相位和重复频率抖动的信息通过电路提取处理，等效于提高光梳的梳齿精度。但是，自适应光梳光谱技术在光源与气体相互作用方面，并无显著优势。目前外腔增强技术能显著提高光源与气体的相互作用，直接将外腔增强技术运用到自适应光梳光谱检测中，需同时满足模式匹配和延时匹配的条件，操作难度大。

发明内容

本发明的目的是针对自适应光梳光谱技术的不足之处，提出一种基于外腔增强的光梳探测系统和方法，通过将带有气室的外腔锁定在一个光频等于光梳重复频率整倍数的锁频连续光上，提高自适应双光梳光谱探测的精度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双光梳自适应外腔增强光谱检测系统，包括一个光梳、一个锁频连续光、一个未锁频连续光、一个脉冲激光，四个光学拍频模块，混频滤波电路，外腔增强气室，外腔锁定电路，拍频探测模块，信号处理模块和傅里叶变换模块，其特征在于将外腔增强方法应用于双光梳自适应光谱检测，增强外腔的谐振频率锁定在锁频连续光的输出频率上，锁频连续光的输出频率锁定在光梳重复频率的整数倍。

所述的光梳、锁频连续光、未锁频连续光、脉冲激光满足以下限定条件：光梳和脉冲激光的光谱具有相互重叠的部分，锁频连续光和未锁频连续光的波长不相同，但都处在光梳和脉冲激光的重叠光谱区内；所述的光梳载波包络相位偏移频率为零，所述的锁频连续光的光频精确锁定在光梳重复频率的整倍数。

所述的外腔增强气室包括气室，镜片组成的外腔，以及调节气室内光程长度的压电陶瓷，压电陶瓷粘贴于构成外腔的一个镜片上。气室和外腔的相对位置关系为以下关系的一种：一、镜片组成的外腔处于气室内部；二、气室处于镜片组成的外腔内部。

所述的光梳、锁频连续光和外腔增强气室的相对位置关系为以下关系的一种：一、光梳和锁频连续光以共线且相同方向传播的方式，从同一块构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室；二、光梳和锁频连续光以共线且相反方向传播的方式，分别从不同的构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室。

光梳与锁频连续光进行光学拍频、光梳与未锁频连续光进行光学拍频、脉冲激光与锁频连续光进行拍频、脉冲激光与未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号再输入到信号处理模块。光梳经过外腔增强气室后，与脉冲激光一起输入到拍频探测模块，经拍频探测模块处理后，输入到信号处理模块，再经过处理后，输入到傅里叶变换模块，最终得到光谱信息。

一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，包括一个光梳发生器、一个锁频连续光发生器、一个未锁频连续光发生器、一个脉冲激光器，四个光学拍频模块，一个混频滤波电路，一个外腔增强气室，一个外腔锁定电路，一个拍频探测模块，一个信号处理模块和一个傅里叶变换模块，其中：

光梳发生器与锁频连续光发生器的输出光与外腔增强气室光耦合，透过外腔增强气室的光梳与脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到第一拍频信号，第一拍频信号输入到信号处理模块；

光梳发生器与锁频连续光发生器的光输出输入到第一光学拍频模块进行光学拍频；光梳发生器与未锁频连续光发生器的光输出输入到第二光学拍频模块进行光学拍频、脉冲激光器与锁频连续光发生器的光输出输入到第三光学拍频模块进行光学拍频、脉冲激光器与未锁频连续光发生器的光输出输入到第四光学拍频模块进行光学拍频；上述四个光学拍频模块得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出第一和第二补偿信号，该两个补偿信号也输入到信号处理模块；

上述第一拍频信号和两个补偿信号经过信号处理模块处理后，处理结果输入到傅里叶变换模块，得到光谱信息。

所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，优选的：

外腔锁定电路，该外腔锁定电路与外腔增强气室连接，用于通过探测外腔增强气室的输出信号，将外腔增强气室的腔长进行锁定。

所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，优选的：

光梳和脉冲激光的光谱具有相互重叠的部分，锁频连续光和未锁频连续光的波长不相同，但都处在光梳和脉冲激光的重叠光谱区内。

所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，优选的：外腔增强气室包括平面镜和压电陶瓷，压电陶瓷粘贴在平面镜上，通过调节压电陶瓷上的电压，控制外腔的腔长。

所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，优选的：

所述的光梳发生器、锁频连续光发生器和外腔增强气室的相对位置关系为以下关系的一种：一、光梳发生器和锁频连续光发生器以共线且相同方向传播的方式，从同一块构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室；二、光梳发生器和锁频连续光发生器以共线且相反方向传播的方式，分别从不同的构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室。

一种光梳自适应外腔增强光谱检测方法，其特征在于该方法利用如上所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统对气室内的待测气体进行检测，包括如下步骤：

1)首先，将锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合外腔锁定电路控制，将外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，然后，将光梳作为输入光，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，将外腔增强气室的腔长L锁定在光梳重复频率f的整倍数上；

2)透过外腔增强气室的光梳与脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号，拍频信号输入到信号处理模块；同时，光梳与锁频连续光进行光学拍频、光梳与未锁频连续光进行光学拍频、脉冲激光与锁频连续光进行拍频、脉冲激光与未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号也输入到信号处理模块；

3)信号处理模块上述三个信号经过处理后，将处理结果输入到傅里叶变换模块，最终得到待测气体的光谱信息。

本发明的优点在于：

1.本发明采用外腔增强气室，增加光梳与待测气体相互作用时的强度，提高待测气体的探测灵敏度；

2.本发明先将外腔增强气室锁定在锁频连续光上，实现两者的模式匹配，再将光梳注入到外腔增强气室中，实现延时匹配，这种逐级锁定外腔的方式操作简便，降低了外腔增强技术的实现难度；

3.本发明巧妙利用自适应光梳技术中的连续光，将其一方面与外腔增强气室锁定，一方面与光梳的整数倍梳齿锁定，在不增加自适应双光梳系统光源复杂度的条件下，实现外腔增强气室的逐级锁定；

4.本发明采用外腔增强气室，气体的探测灵敏度大幅提高，因此可以降低入射光梳光源的功率要求；

5.本发明结合自适应光梳技术与外腔增强技术的优势，能实现突破多普勒线宽的光谱探测精度和微量气体检测的灵敏度。

附图说明

附图1本发明一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统原理图；

附图2本发明实施例一：1550nm波段光梳自适应平平腔增强光谱探测结构示意图；

附图3本发明实施例二：1060nm波段光梳自适应折叠腔增强光谱探测结构示意图；

附图4本发明实施例三：800nm波段光梳自适应蝶形腔增强结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，包括一个光梳发生器、一个锁频连续光发生器、一个未锁频连续光发生器、一个脉冲激光器，四个光学拍频模块，混频滤波电路，外腔增强气室，外腔锁定电路，拍频探测模块，信号处理模块和傅里叶变换模块。所述混频滤波电路包括电学倍频器和电学混频器。

光梳和脉冲激光的光谱具有相互重叠的部分，锁频连续光和未锁频连续光的波长不相同，但都处在光梳和脉冲激光的重叠光谱区内。光梳的重复频率和载波包络相位均已精密锁定，是频率梳齿绝对位置稳定的光谱测量光源，并且，光梳的载波包络相位偏移频率为零，因而其每一根频率梳齿的频率值均等于重复频率的整数倍。

锁频连续光锁定在光梳的频率梳齿上，因此锁频连续光的频率值也等于光梳重复频率的整数倍。首先，将锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，当锁频连续光的光频等于外腔增强气室的共振频率时，锁频连续光满足外腔共振条件，在外腔增强气室多次共振后，再从外腔增强气室输出；当锁频连续光的光频不等于外腔增强气室的共振频率时，锁频连续光不满足外腔共振条件，在外腔增强气室中无法共振，直接从外腔增强气室输出。因此，通过探测器测量锁频连续光经过外腔增强气室的光强大小，判断锁频连续光频率与外腔增强气室共振频率的偏差。首先，驱动压电陶瓷PZT移动，测量锁频连续光经过外腔气室的光强；然后，当探测到光强减小时，说明锁频连续光频率逐渐逼近共振频率，此时，继续移动压电陶瓷PZT，如果探测到光强增加，说明锁频连续光频率逐渐远离共振频率，此时，按相反变化趋势移动压电陶瓷PZT；最后，经过多次驱动压电陶瓷PZT，锁频连续光的频率将动态跟随在外腔增强气室的共振频率上，实现外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，即满足L＝mλ，m为正整数，此时外腔与入射连续光满足模式匹配条件。然后，将光梳作为输入光，耦合到外腔增强气室中，探测外腔增强气室的输出信号，当光梳的光频等于外腔增强气室的共振频率时，光梳所有频率成分均满足外腔共振条件，在外腔增强气室多次共振后，再从外腔增强气室输出；当光梳的光频不等于外腔增强气室的共振频率时，光梳不满足外腔共振条件，在外腔增强气室中无法共振，直接从外腔增强气室输出。因此，通过探测器测量光梳经过外腔增强气室的光强大小，判断光梳的光频与外腔增强气室共振频率的偏差。首先，驱动压电陶瓷PZT移动，测量光梳经过外腔气室的光强；然后，当探测到光强减小时，说明光梳的光频逐渐逼近共振频率，此时，继续移动压电陶瓷PZT，如果探测到光强增加，说明光梳的光频逐渐远离共振频率，此时，按相反变化趋势移动压电陶瓷PZT；最后，经过多次驱动压电陶瓷PZT，光梳将动态跟随在外腔增强气室的共振频率上，实现外腔增强气室的腔长L锁定在光梳重复频率f的整倍数上，即满足L＝(qc)/(2nf)，其中，c是光速，n是气室内气体的折射率，q是正整数，此时外腔与入射脉冲光满足模式匹配、延时匹配条件。通过上述过程，逐级将外腔的谐振频率与光梳的重复频率精密锁定，具体来说外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上属于粗调整，而将增强气室的腔长L与光梳的重复频率锁定属于细调整，采用这种调整方式的原因是在于受元器件本身及操作复杂度的限制，难以一步到位进行锁定，因此采用这种逐级锁定的方式，从而能够较快且精确地进行锁定。

锁定后，光梳在外腔增强气室内强度增强，与待测气体的相互作用过程增强，透过外腔增强气室的光信号携带的待测气体光谱信息更准确。透过外腔增强气室的光梳与脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号SS，拍频信号SS输入到信号处理模块。同时，光梳与锁频连续光进行光学拍频、光梳与未锁频连续光进行光学拍频、脉冲激光与锁频连续光进行拍频、脉冲激光与未锁频连续光进行拍频，然后，锁频连续光与光梳、脉冲激光经过光学拍频产生的两个拍频信号经过滤波、放大后耦合到电学混频器，得到混频信号fa；未锁频连续光与光梳、脉冲激光经过光学拍频产生的两个拍频信号经过滤波、放大后耦合到电学混频器，得到混频信号fb。上述两个混频信号均代表脉冲激光的频率成分相对于光梳频率成分的飘移，通过电学倍频器、混频器对fa和fb作处理，得到表征脉冲激光载波包络相位相对于光梳飘移的第一补偿信号AS1＝(N+1)*fa-N*fb，以及脉冲激光重复频率相对于光梳飘移的第二补偿信号AS2＝M*(fa-fb)，其中，N，M为正整数。将第一补偿信号AS1与光梳和脉冲激光的拍频信号SS混频，消除光梳与脉冲激光相对载波包络相位飘移的影响，再以第二补偿信号AS2作为采样时钟，输入到信号处理模块，经过傅里叶变换模块，最终得到光谱信息。

实施例一(图2)：1550nm波段双光梳自适应平平腔增强光谱探测，实施细节：

系统包括一个掺铒光梳、一个1550nm锁频连续光、一个1560nm波段未锁频连续光、一个掺铒脉冲激光，四个由耦合器、探测器构成的光学拍频模块，混频滤波电路，平平腔外腔增强气室，外腔锁定电路，拍频探测模块，信号处理模块和傅里叶变换模块。

平平腔外腔增强气室包括平面镜M1、M2，压电陶瓷(PZT)，气室，压电陶瓷粘在平面镜M2上，由M1和M2构成的平平腔处在气室内部，通过调节压电陶瓷上的电压，控制外腔的腔长。

掺铒光梳的重复频率和载波包络相位均已精密锁定，光梳的载波包络相位偏移频率为零，因而其每一根频率梳齿的频率值均等于重复频率的整数倍。1550nm锁频连续光锁定在光梳的频率梳齿上，因此锁频连续光的频率值也等于光梳重复频率的整数倍。首先，将1550nm锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，即满足L＝mλ，m为正整数，此时外腔与入射连续光满足模式匹配条件。然后，将掺铒光梳作为输入光，以共线、相同方向传播的方式，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在掺铒光梳重复频率f的整倍数上，即满足L＝(qc)/(2nf)，其中，c是光速，n是气室内气体的折射率，q是正整数，此时外腔与入射脉冲光满足模式匹配、延时匹配条件。通过上述过程，逐级将外腔的谐振频率与掺铒光梳的重复频率精密锁定。

锁定后，掺铒光梳在外腔增强气室内强度增强，与待测气体的相互作用过程增强，透过外腔增强气室的光信号携带的待测气体光谱信息更准确。透过外腔增强气室的掺铒光梳与掺铒脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号，拍频信号输入到信号处理模块。同时，掺铒光梳与1550nm锁频连续光进行光学拍频、掺铒光梳与1560nm未锁频连续光进行光学拍频、掺铒脉冲激光与1550nm锁频连续光进行拍频、掺铒脉冲激光与1560nm未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号也输入到信号处理模块。上述三个信号经过处理后，输入到傅里叶变换模块，最终得到光谱信息。

实施例二(图3)：1060nm波段双光梳自适应折叠腔增强光谱探测，实施细节：

系统包括一个掺镱光梳、一个1060nm锁频连续光、一个1064nm未锁频连续光、一个掺镱脉冲激光，四个由耦合器、探测器构成的光学拍频模块，混频滤波电路，折叠腔外腔增强气室，外腔锁定电路，拍频探测模块，信号处理模块和傅里叶变换模块。

折叠腔外腔增强气室包括平面镜M1-M6，压电陶瓷(PZT)，气室，压电陶瓷粘在平面镜M4上，由M1-M6构成的折叠腔处在气室内部，通过调节压电陶瓷上的电压，控制外腔的腔长。

掺镱光梳的重复频率和载波包络相位均已精密锁定，光梳的载波包络相位偏移频率为零，因而其每一根频率梳齿的频率值均等于重复频率的整数倍。1060nm锁频连续光锁定在光梳的频率梳齿上，因此锁频连续光的频率值也等于光梳重复频率的整数倍。首先，将1060nm锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，1060nm锁频连续光依次经过平面镜M2，M3，M4，M5，M6，M1，入射到探测器，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，即满足L＝mλ，m为正整数，此时外腔与入射连续光满足模式匹配条件。然后，将掺镱光梳作为输入光，以共线、相反方向传播的方式，耦合到外腔增强气室中，掺镱光梳依次经过平面镜M1，M2，M3，M4，M5，M6，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在掺镱光梳重复频率f的整倍数上，即满足L＝(qc)/(2nf)，其中，c是光速，n是气室内气体的折射率，q是正整数，此时外腔与入射脉冲光满足模式匹配、延时匹配条件。通过上述过程，逐级将外腔的谐振频率与掺镱光梳的重复频率精密锁定。

锁定后，掺镱光梳在外腔增强气室内强度增强，与待测气体的相互作用过程增强，透过外腔增强气室的光信号携带的待测气体光谱信息更准确。透过外腔增强气室的掺镱光梳与掺镱脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号，拍频信号输入到信号处理模块。同时，掺镱光梳与1060nm锁频连续光进行光学拍频、掺镱光梳与1064nm未锁频连续光进行光学拍频、掺镱脉冲激光与1060nm锁频连续光进行拍频、掺镱脉冲激光与1064nm未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号也输入到信号处理模块。上述三个信号经过处理后，输入到傅里叶变换模块，最终得到光谱信息。

实施例三(图4)：800nm波段双光梳自适应蝶形腔增强光谱探测，实施细节：

系统包括一个钛宝石光梳、一个780nm锁频连续光、一个760nm未锁频连续光、一个钛宝石飞秒激光器，四个由耦合器、探测器构成的光学拍频模块，混频滤波电路，蝶形腔外腔增强气室，外腔锁定电路，拍频探测模块，信号处理模块和傅里叶变换模块。

蝶形腔外腔增强气室包括平面镜M1，M2，曲面镜M3，M4，压电陶瓷(PZT)，气室，压电陶瓷粘在平面镜M2上，气室处在曲面镜M3和M4之间，通过调节压电陶瓷上的电压，控制外腔的腔长。

钛宝石光梳的重复频率和载波包络相位均已精密锁定，光梳的载波包络相位偏移频率为零，因而其每一根频率梳齿的频率值均等于重复频率的整数倍。780nm锁频连续光锁定在光梳的频率梳齿上，因此锁频连续光的频率值也等于光梳重复频率的整数倍。首先，将780nm锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，780nm锁频连续光依次经过平面镜M1，M2，M3，M4，入射到探测器，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，即满足L＝mλ，m为正整数，此时外腔与入射连续光满足模式匹配条件。然后，将钛宝石光梳作为输入光，以共线、相同方向传播的方式，耦合到外腔增强气室中，钛宝石光梳依次经过平面镜M1，M2，M3，M4，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，调节压电陶瓷的伸缩量，将外腔增强气室的腔长L锁定在钛宝石光梳重复频率f的整倍数上，即满足L＝(qc)/(2nf)，其中，c是光速，n是气室内气体的折射率，q是正整数，此时外腔与入射脉冲光满足模式匹配、延时匹配条件。通过上述过程，逐级将外腔的谐振频率与钛宝石光梳的重复频率精密锁定。

锁定后，钛宝石光梳在外腔增强气室内强度增强，与待测气体的相互作用过程增强，透过外腔增强气室的光信号携带的待测气体光谱信息更准确。透过外腔增强气室的钛宝石光梳与钛宝石飞秒激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号，拍频信号输入到信号处理模块。同时，钛宝石光梳与780nm锁频连续光进行光学拍频、钛宝石光梳与760nm未锁频连续光进行光学拍频、钛宝石飞秒激光与780nm锁频连续光进行拍频、钛宝石飞秒激光与760nm未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号也输入到信号处理模块。上述三个信号经过处理后，输入到傅里叶变换模块，最终得到光谱信息。

上述系统采用外腔增强气室，增加光梳与待测气体相互作用时的强度，能提高待测气体的探测灵敏度，探测更微弱的光谱信息；上述系统先将外腔增强气室锁定在锁频连续光上，实现两者的模式匹配，再将光梳注入到外腔增强气室中，实现延时匹配，这种逐级锁定外腔的方式操作简便，降低了外腔增强技术的实现难度，有利用光梳光谱的仪器化集成；上述系统采用外腔增强气室，气体的探测灵敏度大幅提高，因此可以降低入射光梳光源的功率要求；上述系统结合自适应光梳技术与外腔增强技术的优势，能实现突破多普勒线宽的光谱探测精度和微量气体检测的灵敏度。

Claims (6)

1.一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，包括一个光梳发生器、一个锁频连续光发生器、一个未锁频连续光发生器、一个脉冲激光器，四个光学拍频模块，一个混频滤波电路，一个外腔增强气室，一个外腔锁定电路，一个拍频探测模块，一个信号处理模块和一个傅里叶变换模块，其特征在于：

光梳发生器与锁频连续光发生器的输出光与外腔增强气室光耦合，透过外腔增强气室的光梳与脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到第一拍频信号，第一拍频信号输入到信号处理模块；

光梳发生器与锁频连续光发生器的光输出输入到第一光学拍频模块进行光学拍频；光梳发生器与未锁频连续光发生器的光输出输入到第二光学拍频模块进行光学拍频、脉冲激光器与锁频连续光发生器的光输出输入到第三光学拍频模块进行光学拍频、脉冲激光器与未锁频连续光发生器的光输出输入到第四光学拍频模块进行光学拍频；上述四个光学拍频模块得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出第一和第二补偿信号，该两个补偿信号也输入到信号处理模块；

上述第一拍频信号和两个补偿信号经过信号处理模块处理后，处理结果输入到傅里叶变换模块，得到光谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，其特征在于还包括：

外腔锁定电路，该外腔锁定电路与外腔增强气室连接，用于通过探测外腔增强气室的输出信号，将外腔增强气室的腔长进行锁定。

3.根据权利要求1所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，其特征在于：

光梳和脉冲激光的光谱具有相互重叠的部分，锁频连续光和未锁频连续光的波长不相同，但都处在光梳和脉冲激光的重叠光谱区内。

4.根据权利要求1所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，其特征在于：外腔增强气室包括平面镜和压电陶瓷，压电陶瓷粘贴在平面镜上，通过调节压电陶瓷上的电压，控制外腔的腔长。

5.根据权利要求1所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统，其特征在于：

所述的光梳发生器、锁频连续光发生器和外腔增强气室的相对位置关系为以下关系的一种：一、光梳发生器和锁频连续光发生器以共线且相同方向传播的方式，从同一块构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室；二、光梳发生器和锁频连续光发生器以共线且相反方向传播的方式，分别从不同的构成外腔的镜片上，耦合到外腔增强气室。

6.一种光梳自适应外腔增强光谱检测方法，其特征在于该方法利用权利要求1-5之一所述的一种光梳自适应外腔增强光谱检测系统对气室内的待测气体进行检测，包括如下步骤：

1)首先，将锁频连续光作为输入光，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合外腔锁定电路控制，将外腔增强气室的腔长L锁定在连续光的光波长λ上，即满足L＝mλ，m为正整数；然后，将光梳作为输入光，耦合到外腔增强气室中，通过探测外腔增强气室的输出信号，结合电路控制，将外腔增强气室的腔长L锁定在光梳重复频率f的整倍数上，即满足L＝(qc)/(2nf)，其中，c是光速，n是气室内气体的折射率，q是正整数；

2)透过外腔增强气室的光梳与脉冲激光同时入射到拍频探测模块，得到拍频信号，拍频信号输入到信号处理模块；同时，光梳与锁频连续光进行光学拍频、光梳与未锁频连续光进行光学拍频、脉冲激光与锁频连续光进行拍频、脉冲激光与未锁频连续光进行拍频，上述四个过程得到的四个拍频信号输入到混频滤波电路，经混频滤波电路处理后，输出两个补偿信号，两个补偿信号也输入到信号处理模块；

3)信号处理模块上述拍频信号和两个补偿信号经过处理后，将处理结果输入到傅里叶变换模块，最终得到待测气体的光谱信息。