CN110411960B - 一种光腔衰荡光谱仪系统 - Google Patents
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Abstract
一种光腔衰荡光谱仪系统，以提高光谱测量的灵敏度。所述系统包括：连续激光器、与连续激光器耦合的第一光分束镜、与第一光分束镜耦合的声光调制器和波长计、与声光调制器耦合的第二光分束镜、与第二光分束镜耦合的第三光分束镜、与第三光分束镜耦合的衰荡腔以及与衰荡腔、波长计和连续激光器耦合的计算机，衰荡腔的内部两端分别设置第一反射镜和第二反射镜，衰荡腔的输出端设置压电陶瓷管，压电陶瓷管经光电转换装置与计算机连接。本申请的技术方案可实现高精度的连续波长扫描，其光谱测量精度可达到10‑4cm‑1的水平，与现有技术相比，显著提高了光谱测量的灵敏度。
Description
技术领域
本申请属于科研设备制造领域，尤其涉及一种光腔衰荡光谱仪系统。
背景技术
目前，气体浓度检测的方法有很多种，包括声学传感器、基于传统吸收光谱的传感器、拉曼光谱传感器、质谱传感器、核磁共振传感器以及电学传感器等。现有的这些传感器虽然对于气体的探测发挥了重要作用，但普遍存在灵敏度偏低以及操作复杂等特点，因而应用在痕量气体浓度检测上有明显的局限性。
腔衰荡光谱(Cavity Ringdown Spectroscopy，CRDS)技术是一种通过测量光学腔内由样品散射和吸收引起的光损耗而实现高灵敏度光谱检测的吸收光谱技术。它除了传统光谱技术所具有的分析、检测能力外，还具有独特的优势：由于激光在光学腔内往返次数多，吸收光程长度很长，所以CRDS技术能够获得很高的灵敏度；另外，CRDS技术的直接测量参数不是激光通过待测物质后的光强绝对强度变化，而是光强指数衰减速率，因此，CRDS技术对光源强度起伏不敏感。
早期的腔内衰荡光谱大多采用脉冲激光作为光源，但由于激光线宽较大，在激光衰荡的过程中会出现多纵模同时与光腔耦合的情况，如此激光的衰荡曲线便成为多个指数衰减相叠加的结果，此时作拟合得到的样品气体吸收系数存在较大的偏差(约1％水平)，从而降低了检测的灵敏度。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光腔衰荡光谱仪系统，以提高光谱测量的灵敏度。
本申请第一方面提供一种光腔衰荡光谱仪系统，所述系统包括：连续激光器、与所述连续激光器耦合的第一光分束镜、与所述第一光分束镜耦合的声光调制器和波长计、与所述声光调制器耦合的第二光分束镜、与所述第二光分束镜耦合的第三光分束镜、与所述第三光分束镜耦合的衰荡腔以及与所述衰荡腔、波长计和连续激光器耦合的计算机，所述衰荡腔的内部两端分别设置第一反射镜和第二反射镜，所述衰荡腔的输出端设置压电陶瓷管，所述压电陶瓷管经光电转换装置与所述计算机连接；
所述连续激光器，用于在固体激光器的泵浦下产生连续激光后输出至所述第一光分束镜；
所述第一光分束镜，用于将所述连续激光器产生的连续激光经折射和反射分成第一光束和第二光束，所述第一光束输出至所述声光调制器，所述第二光束输出至所述波长计；
所述声光调制器，用于在声信号的调制下，将来自所述第一光束调制后得到已调光输出至所述第二光分束镜；
所述第二光分束镜，用于将所述已调光反射后经透镜输出至所述第三光分束镜；
所述第三光分束镜，用于将所述透镜输出的已调光经折射后输出至所述衰荡腔；
所述衰荡腔，用于在所述第一反射镜和第二反射镜的作用下，对所述第三光分束镜输入的已调光进行衰荡后输出至所述光电转换装置；
所述光电转换装置，用于将所述衰荡腔输出的衰荡光信号转换为电信号，所述电信号一路输出至所述声光调制器，另一路输出至所述计算机；
所述压电陶瓷管，用于在函数发生器的作用下以预设频率振动，使所述衰荡腔的纵模能与所述第三光分束镜输入的已调光的频率相匹配。
进一步地，衰荡腔设置一恒温气体通道，用于向所述衰荡腔输入恒温气体并从所述衰荡腔输出。
进一步地，所述波长计用于对所述连续激光器产生的连续激光的波长进行监测，由此产生的监测信号输出至所述计算机。
进一步地，所述计算机用于在所述光电转换装置输出的电信号和所述监测信号的作用下，控制所述连续激光器逐个扫描到激光频率处进行测量。
进一步地，所述连续激光器为连续环形腔钛宝石激光器。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜的标称反射率为99.995％，曲率半径为1m。
进一步地，所述预设频率为100赫兹。
进一步地，所述衰荡腔的腔体长为1.25m。
进一步地，所述系统还包括固体激光器，用于对所述连续激光器进行泵浦。
进一步地，所述固体激光器的输出波长为532纳米。
从上述本申请技术方案可知，由于连续激光器与第一光分束镜耦合，第一光分束镜与声光调制器和波长计耦合，衰荡腔、波长计和连续激光器与计算机耦合，计算机在光电转换装置输出的电信号和波长计输出的监测信号的作用下，控制连续激光器逐个扫描到激光频率处进行测量，因此，可实现高精度的连续波长扫描，其光谱测量精度可达到10-4cm-1的水平，与现有技术相比，显著提高了光谱测量的灵敏度。
附图说明
图1是本申请实施例提供的光腔衰荡光谱仪系统的结构示意图；
图2是本申请另一实施例提供的光腔衰荡光谱仪系统的结构示意图；
图3是本申请另一实施例提供的光腔衰荡光谱仪系统的结构示意图；
图4是本申请另一实施例提供的光腔衰荡光谱仪系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
附图1是本申请实施例提供的光腔衰荡光谱仪系统结构示意图，详细说明如下：
附图1示例的光腔衰荡光谱仪系统包括连续激光器101、与连续激光器101耦合的第一光分束镜102、与第一光分束镜102耦合的声光调制器103和波长计104、与声光调制器103耦合的第二光分束镜105、与第二光分束镜105耦合的第三光分束镜106、与第三光分束镜106耦合的衰荡腔107以及与衰荡腔107、波长计104和连续激光器101耦合的计算机108，衰荡腔107的内部两端分别设置第一反射镜109和第二反射镜110，衰荡腔107的输出端设置压电陶瓷管111，压电陶瓷管111经光电转换装置112与计算机108连接，其中：
连续激光器101，用于在固体激光器的泵浦下产生连续激光后输出至第一光分束镜102；
第一光分束镜102，用于将连续激光器101产生的连续激光经折射和反射分成第一光束和第二光束，即将连续激光器101产生的连续激光经折射得到第一光束，即将连续激光器101产生的连续激光经反射得到第二光束，第一光束输出至声光调制器103，第二光束输出至波长计104；
声光调制器103，用于在声信号的调制下，将来自第一光束调制后得到已调光输出至第二光分束镜105；
第二光分束镜，105用于将已调光反射后经透镜输出至第三光分束镜106；
第三光分束镜106，用于将透镜输出的已调光经折射后输出至衰荡腔107；
衰荡腔107，用于在第一反射镜109和第二反射镜110的作用下，对第三光分束镜106输入的已调光进行衰荡后输出至光电转换装置112；
光电转换装置112，用于将衰荡腔107输出的衰荡光信号转换为电信号，该电信号一路输出至声光调制器103，另一路输出至计算机108；
压电陶瓷管111，用于在函数发生器的作用下以预设频率振动，使衰荡腔107的纵模能与第三光分束镜106输入的已调光的频率相匹配。
进一步地，衰荡腔107设置一恒温气体通道，如附图2所示的黑色圆圈部分，恒温气体通道用于向衰荡腔107输入恒温气体并从衰荡腔107输出，箭头所指方向代表恒温气体的进出方向。
进一步地，波长计104用于对连续激光器101产生的连续激光的波长进行监测，由此产生的监测信号输出至计算机108。
进一步地，计算机108用于在光电转换装置112输出的电信号和波长计104输出的监测信号的作用下，控制连续激光器101逐个扫描到激光频率处进行测量，其中，连续激光器101为连续环形腔钛宝石激光器。
进一步地，第一反射镜109和第二反射镜110的标称反射率可以是99.995％，曲率半径可以是1米。
进一步地，预设频率为100赫兹。
进一步地，衰荡腔107的腔体长为1.2米。
进一步地，光腔衰荡光谱仪系统还包括固体激光器，如附图3所示，固体激光器用于对连续激光器101进行泵浦。
进一步地，固体激光器的输出波长可以是532纳米。
从附图1示例的光腔衰荡光谱仪系统可知，由于连续激光器与第一光分束镜耦合，第一光分束镜与声光调制器和波长计耦合，述衰荡腔、波长计和连续激光器与计算机耦合，计算机在光电转换装置输出的电信号和波长计输出的监测信号的作用下，控制连续激光器逐个扫描到激光频率处进行测量，因此，可实现高精度的连续波长扫描，其光谱测量精度可达到10-4cm-1的水平，与现有技术相比，显著提高了光谱测量的灵敏度。
附图4给出了本申请另一实施例的光腔衰荡光谱仪系统结构示意图，以下进行详细说明：
连续激光器101可以是美国相干公司生产的899-21型连续环形腔钛宝石激光器，由输出波长为532纳米的固体激光器(Verdi-18)泵浦，可覆盖700至1000纳米的光谱范围，连续激光器101工作时，其波长由波长计104，例如一台WA-1500型波长计监测。连续激光器101输出的激光经过声光调制器103后，依次经过第二光分束镜105和第三光分束镜106的折射，再依次通过光纤耦合器、光纤、光纤耦合器以及两个透镜的耦合后送入衰荡腔107。衰荡腔107的腔体长度可以设置为1.25米，其两端的第一反射镜109和第二反射镜110的标称反射率可以是99.995％，曲率半径达1米，衰荡腔107的输出端腔镜利用压电陶瓷管111以100赫兹的频率振动，使衰荡腔107的纵模能与入射激光的频率相匹配。衰荡腔107输出的光通过光电转换装置112，例如硅二极管探测器接收后分为两路电信号，一路电信号通过一个电位比较器，超过设定阈值电压后，触发源产生触发信号控制声光调制器103关断来自第一光分束镜102输入的激光；另一路电信号即探测器信号被送往计算机108的数据采集卡进行数据采集，记录衰荡信号，约1毫秒后再控制声光调制器103重新打开来自第一光分束镜102输入的激光。计算机108记录的每个衰荡曲线被在线的计算机108迅速进行单指数函数拟合，得到衰荡时间数据及其相应的拟合误差并被存储下来。多次衰荡的结果被平均后得到平均的衰荡时间，其后，计算机108再产生一个扫描信号，控制连续激光器101扫描到下一个激光频率处进行测量。连续激光器101输出的激光的波长由波长计104和高稳定的标准具进行监测，通过计算机108的控制，可实现高精度的连续波长扫描，实验表明，附图4示例的光腔衰荡光谱仪系统的光谱测量精度可达到10-4cm-1水平。
需要说明的是，由于环境温度波动时，测得的衰荡时间可能会随着测量时间的增加存在明显的漂移，因此，在上述示例的光腔衰荡光谱仪系统中，为改善环境温度变化对光腔衰荡光谱仪系统检测灵敏度的影响，设计了使恒温气体预通过衰荡腔107的通道，从而使得衰荡腔107中保持恒温。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述系统包括连续激光器、与所述连续激光器耦合的第一光分束镜、与所述第一光分束镜耦合的声光调制器和波长计、与所述声光调制器耦合的第二光分束镜、与所述第二光分束镜耦合的第三光分束镜、与所述第三光分束镜耦合的衰荡腔以及与所述衰荡腔、波长计和连续激光器耦合的计算机，所述衰荡腔的内部两端分别设置第一反射镜和第二反射镜，所述衰荡腔的输出端设置压电陶瓷管，所述压电陶瓷管经光电转换装置与所述计算机连接；
所述连续激光器，用于在固体激光器的泵浦下产生连续激光后输出至所述第一光分束镜；
所述第一光分束镜，用于将所述连续激光器产生的连续激光经折射和反射分成第一光束和第二光束，所述第一光束输出至所述声光调制器，所述第二光束输出至所述波长计；
所述声光调制器，用于在声信号的调制下，将来自所述第一光束调制后得到已调光输出至所述第二光分束镜；
所述第二光分束镜，用于将所述已调光反射后经透镜输出至所述第三光分束镜；
所述第三光分束镜，用于将所述透镜输出的已调光经折射后输出至所述衰荡腔；
所述衰荡腔，用于在所述第一反射镜和第二反射镜的作用下，对所述第三光分束镜输入的已调光进行衰荡后输出至所述光电转换装置；
所述光电转换装置，用于将所述衰荡腔输出的衰荡光信号转换为电信号，所述电信号一路输出至所述声光调制器，另一路输出至所述计算机；
所述压电陶瓷管，用于在函数发生器的作用下以预设频率振动，使所述衰荡腔的纵模能与所述第三光分束镜输入的已调光的频率相匹配；
衰荡腔设置一恒温气体通道，用于向所述衰荡腔输入恒温气体并从所述衰荡腔输出；
所述波长计用于对所述连续激光器产生的连续激光的波长进行监测，由此产生的监测信号输出至所述计算机；
所述计算机用于在所述光电转换装置输出的电信号和所述监测信号的作用下，控制所述连续激光器逐个扫描到激光频率处进行测量。
2.如权利要求1所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述连续激光器为连续环形腔钛宝石激光器。
3.如权利要求1所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜的标称反射率为99.995%，曲率半径为1米。
4.如权利要求1所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述预设频率为100赫兹。
5.如权利要求1所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述衰荡腔的腔体长为1.25米。
6.如权利要求1至5任意一项所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述系统还包括固体激光器，用于对所述连续激光器进行泵浦。
7.如权利要求6所述的光腔衰荡光谱仪系统，其特征在于，所述固体激光器的输出波长为532纳米。
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