CN113984670A - 一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，在光腔衰荡技术测量光路中利用相机与光电探测器(PD)共同分析衰荡腔透射光场，实现调腔误差诊断，完成精密调腔。其中，相机用于监测透射光场形态，光电探测器用于记录透射光场强度变化规律。在衰荡腔粗调准阶段，以光场形态和透射光场强度峰值作为调腔评价指标，在保证基横模输出的情况下使腔透射峰值最高；在精调准阶段，根据腔透射光场强度提取的光腔衰荡时间常数作为调腔评价指标，使衰荡时间常数达到最大完成衰荡腔调节。这种调腔方式可以不依赖于操作人员主观判断，便于仪器化和自动化。

Description

一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法
技术领域
本发明涉及光腔衰荡技术领域，具体涉及一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法。
背景技术
光腔衰荡技术是一种基于高精细度谐振腔的探测技术，目前已成功应用于痕量气体检测，吸收光谱测量和高反射率测量等领域。(D.Romanini,A.A.Kachanov,J.Morville,M.Chenevier,“Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdownspectroscopy”,Proc of SPIE,1999,3821：94～104；李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量技术综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。光腔衰荡技术具有高精度高灵敏度的特点，是目前唯一能精确测量高反射率的方法，也是目前痕量气体检测等领域测量精度最高的方法。
光腔衰荡高反射率测量的具体过程为：首先，搭建初始衰荡腔并测量其腔损耗大小；然后，加入待测高反射率样片构成测试衰荡腔，再次测量腔损耗大小。两次测量过程中腔损耗的变化由待测样片导致，由此就可以计算得到待测样片的反射率数值。从这一过程不难看出，衰荡腔的精密调节对于高反射率精的测量精密性十分重要，而确立一个合理的调腔评价标准并建立一种行之有效的调腔方法更是精密调腔的前提。目前常见的两个调腔评价标准是观测衰荡腔透射峰值(中国专利申请号200810055635.4，“一种用于测量高反射率的装置”)和观测衰荡腔透射脉冲能量包络(易亨瑜，胡晓阳，陈门雪；超高反射率测量系统的精密调试，《红外与激光工程》，2007，36(增刊)：258-260；易亨瑜；衰荡腔失调下的波形仿真，《中国激光》，2006，33(3)：399-404)。这两种方法都比较依赖操作人员的经验，容易受到操作人员主观因素的影响，不适合仪器化和自动化。
因此，我们在观测衰荡腔透射峰值的基础上，引入相机监控透射光斑辅助衰荡腔粗调准，并利用光腔衰荡时间常数进行衰荡腔精调准。通过粗调准与精调准相结合，实现更好的调腔效果。同时，粗调准与精调准阶段的各个调腔评价量均可通过软件算法实现自动化，是一种适于仪器化和自动化的调腔方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前光腔衰荡高反射率测量技术中采用的调腔评价指标具有依赖操作人员经验，容易受到操作人员主观因素影响的缺点。这导致目前的调腔方法不适合仪器化和自动化。针对这一问题，提出一种结合衰荡腔透射峰值、衰荡腔透射光斑形态以及衰荡腔衰荡时间常数为评价指标的调腔方法，能够减小操作人员的主观影响，具有较好的自动化潜力。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，具体实现步骤如下：
步骤(1)、搭建衰荡腔阶段。利用光电探测器(PD)和相机分别记录衰荡腔透射信号和透射光斑形态。
步骤(2)、衰荡腔粗调准阶段。利用相机采集图像判断衰荡腔透射光斑形态，确保衰荡腔内激光模式为基横模运行，在此基础上通过PD观测衰荡腔内透射信号峰值，调节衰荡腔参数，使衰荡腔内透射信号峰值增大。
识别腔透射光斑形态的方法可以采用数字图像分析的相关手段(比如模板匹配、特征匹配等)；也可以采用肉眼观察等人工识别手段。
评价光腔透射信号峰值，可以统计一段时间间隔内透射光强的平均值，也可以统计一段时间间隔内几个最大的激光信号峰值的平均值。
衰荡腔可调节参数包括腔镜倾斜量、腔轴偏移量以及腔长。
步骤(3)、衰荡腔精调准。在衰荡腔透射光斑为基横模且腔内透射信号峰值达到最大后，通过分析衰荡信号，提取光腔衰荡时间，以光腔衰荡时间为判据进一步精调衰荡腔参数，使光腔衰荡时间达到最长，完成调节。
提取光腔衰荡时间的方法可以为任意一种提取算法，包括非线性最小二乘拟合算法、线性最小二乘拟合算法等。
评价光腔衰荡时间，可以统计若干个衰荡信号的提取结果。在调腔过程中，首先使光腔衰荡时间的统计平均值达到最大，然后进一步微调腔参数，使光腔衰荡时间的统计均方根值达到最小。
精调准阶段，衰荡腔可调节参数包括腔镜倾斜量、腔轴偏移量以及腔长。
本发明的原理是：利用光电探测器和相机分别记录衰荡腔的透射信号和腔透射光斑。在衰荡腔粗调准阶段，利用腔透射光斑形态和腔透射信号峰值为评价指标，在腔内为基横模运行的情况下使腔透射信号峰值达到最大。接下来进入衰荡腔精调准阶段，在该阶段利用光腔衰荡时间做为评价指标，微调腔参数使光腔衰荡时间达到最长，完成调腔过程。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本方法综合了多个评价指标，能提高调腔的稳定性和可靠性，增强了调腔过程的可视化程度；同时，各个评价指标均可通过软件算法实现，这不仅可以减小操作人员主观因素的影响，同时便于仪器化和自动化。
附图说明
图1为本发明的两腔镜直腔结构示意图；
图2为本发明的三腔镜折叠腔结构示意图；
图3为本发明的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法的具体实施方式中，在衰荡腔透射端同时放置光电探测器(PD)和相机。其中PD用于记录衰荡腔透射信号峰值，相机用于记录透射光斑形态。
如图3所示，本发明的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法的具体实施方法如下：
步骤(1)、如图2所示，搭建三腔镜折叠型衰荡腔，在衰荡腔两端分别加入光电探测器(PD)和相机。其中PD用于记录衰荡腔透射信号峰值，相机用于记录透射光斑形态。
其中腔镜M1、M2为凹面反射镜，凹面曲率半径均为1m，M3为平面反射镜。腔长为0.8m，满足稳定腔条件。激光光源经过可变衰减片A注入衰荡腔，注入光束与衰荡腔光轴同轴。腔镜M1的透射光束由光电探测器(PD)接受、腔镜M2的透射光束由相机接受。PD和相机采集的信号由采集卡采集输入到计算机(PC)进行分析。本实施例中，采用的激光光源波长为1064nm，因此引入辅助调节的可见信标光源(532nm绿光)。信标光源由M4、M5调节实现与激光光源的同轴。
步骤(2)、衰荡腔粗调准。利用相机采集图像判断衰荡腔透射光斑形态，利用人眼判断腔透射光斑的模式，确保腔内激光模式始终为基横模运行；在此基础上通过PD观测腔内透射信号峰值，统计5ms内透射光强的平均值做为腔透射峰值，调节衰荡腔参数(主要为腔镜倾斜量)，使腔内透射峰值增大。
步骤(3)、衰荡腔精调准。在腔透射光斑为基横模且腔内透射峰值达到最大后，利用非线性最小二乘拟合算法分析光腔衰荡信号，提取光腔衰荡时间。统计100个衰荡时间的结果，以光腔衰荡时间为判据进一步精调衰荡腔参数(主要为腔镜倾斜量)。首先使衰荡时间统计平均值达到最大，然后继续精调使衰荡时间统计均方根值尽可能小。
在本实施例中，粗调准完成后，腔衰荡时间常数达到1.112±0.010μs，经过精调节，腔衰荡时间达到1.154±0.008μs，精调准过程是衰荡时间统计均值有所增加，同时统计均方根值有所减小。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、搭建衰荡腔，利用光电探测器(PD)和相机分别记录衰荡腔透射信号和透射光斑形态；
步骤(2)、衰荡腔粗调准阶段，利用相机采集图像判断衰荡腔透射光斑形态，确保衰荡腔内运行的激光模式为基横模，在此基础上通过PD观测衰荡腔内透射信号峰值，调节衰荡腔参数，使衰荡腔内透射信号峰值增大，腔内基横模运行并且透射信号峰值最大时粗调准结束；
步骤(3)、衰荡腔精调准阶段，在腔透射光斑为基横模且腔内透射峰值达到最大后，通过分析衰荡信号，提取光腔衰荡时间，以光腔衰荡时间为判据进一步精调衰荡腔参数，使光腔衰荡时间达到最长，调节结束。
2.根据权利要求1所述的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于：步骤(2)所述的衰荡腔粗调准阶段，识别腔透射光斑形态的方法可以采用数字图像分析的相关手段，包括模板匹配、特征匹配以及其它图像处理手段；或者采用肉眼观察人工识别手段。
3.根据权利要求1所述的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于：步骤(2)所述的关于透射信号峰值的评价，可以统计一段时间间隔内透射光强的平均值，也可以统计一段时间间隔内较大的几个激光信号峰值的平均值。
4.根据权利要求1所述的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于：步骤(3)所述的衰荡腔精调准阶段，提取光腔衰荡时间的方法可以为任意一种光腔衰荡时间提取算法，包括非线性最小二乘拟合算法、线性最小二乘拟合算法以及其它提取方法。
5.根据权利要求1所述的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于：步骤(3)所述的关于光腔衰荡时间的评价，可以统计若干个衰荡信号的提取结果；在调腔过程中，首先使光腔衰荡时间的统计平均值达到最大，然后进一步微调腔参数，使光腔衰荡时间的统计均方根值达到最小。
6.根据权利要求1所述的一种用于光腔衰荡高反射率测量的双传感器调腔方法，其特征在于：该方法所述的衰荡腔参数包括腔镜倾斜量、腔轴偏移量以及腔长。
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