CN114018867A - 一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，属于激光光谱技术领域。为解决激光器的调谐能力，本装置结合了单个光学腔和多个激光器，使用合束器将多激光器合束，再通过时分复用激光器的方式，实现了稳定光学反馈腔增强光谱信号的测量。这种方法可以实现多波长、多气体光学反馈线性腔增强光谱技术，提升了该技术的应用性。

Description

一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置。
背景技术
激光吸收光谱技术是一种新型气体检测技术，相较于传统的电化学、接触燃烧等气体检测方法，其具有实时在线、高灵敏、高分辨的优点。激光吸收光谱技术的原理是基于光与气体分子、原子相互作用，当光频与目标气体跃迁共振时，激光会被气体吸收，透射光强度将减小，其减小率与气体浓度有关。
为了提升吸收光谱技术的灵敏度，人们提出使用光学腔的方式增加光与气体的作用路径。气体吸收信号。光学腔根据使用的高反射镜数目和结构的不同分为不同的种类，主要包括由两片组成的线性腔，也被称为Fabry-Perot腔；由三片高反镜组成的V型腔、四镜腔等。激光进入光学腔后，会在高反镜之间来回反射，并且当激光频率与腔模频率重合时，在腔内将建立起很强的光场，增长激光与气体的作用路径。通过测量光学腔透射信号的在有无气体时的变化量就可以反演腔内气体浓度。基于此原理，人们发展了腔增强光谱技术(CEAS)。
然而对于高精细度光学腔，由于腔模线宽很窄，导致激光到腔的耦合效率很低，噪声很大，特别是当采用线宽很宽的半导体激光器的情况下。这样就导致CEAS中腔透射信号很小，并且起伏很大，会将吸收信号淹没，严重影响光谱装置的探测灵敏度。为了解决这个问题，人们提出了基于光学反馈的CEAS。通过光学反馈可以实现激光频率到光学腔模的锁定，从而抑制激光频率噪声，提升激光到腔的耦合效率，增强透射光信号，抑制探测器噪声影响。
然而受限于激光器的调谐能力，一套基于单个激光器的光学反馈腔增强光谱系统通常只能测量一种或者两种气体，大大限制了该技术的应用性。为了解决这个问题，我们设计了一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置。
发明内容
针对上述问题本发明提供了一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，包括多个半导体激光器、多个合束器、反馈系数控制单元、第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、压电陶瓷、光学腔、光电探测器、数据采集卡、计算机、多个半导体激光器控制器；
所述多个半导体激光器作为光源，输出端发射多束激光，所述多束激光依次经过合束器、反馈系数控制单元、第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、光学腔，所述光学腔的反射光沿原路返回半导体激光器，形成光学反馈，从而抑制激光的频率噪声，提升激光到腔的耦合效率。所述光学腔的腔模信号进入光电探测器，所述光电探测器输出信号通过数据采集卡进入计算机，所述计算机的第一输出端与压电陶瓷连接，将计算机内产生的校正信号传输至压电陶瓷，所述第一反射镜或者第二反射镜固定在压电陶瓷上，使用Labview程序对腔模信号对称性进行判断，产生误差信号，获得校正信号送给压电陶瓷，用于实时动态调整反馈相位，使其符合光学反馈的要求。同时Labview程序还提取腔模信号的幅度，获得吸收光谱，对光谱进行拟合获得气体浓度。
所述计算机的第二输出端分别与多个半导体激光控制器连接，将计算机内产生的时序信号传输至每个半导体激光控制器。此外，为了避免多个半导体激光器的光学反馈之间产生干扰，Labview程序还会产生一个时序信号来控制不同半导体激光器的通断，采用时分复用的方式，保证同一时刻只有一个激光器出射激光，从而不会受到其它激光产生光学反馈的影响。
进一步，本装置所述光学腔为线性腔、V型腔或者四镜腔。
进一步，本装置所述计算机可由嵌入式系统替换。
进一步，所述反馈系数控制单元为光强衰减片或偏振分束棱镜和四分之玻片的结合，即光路上先放偏振分束棱镜，后放四分之玻片。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1.本装置发展了基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱技术，可以实现多波长、多气体的光谱测量。
2.本装置结合了单个腔体和多个激光源，相较于传统多激光和多腔体的结构，该结构更加简单紧凑，成本更低。
附图说明
图1为使用两个半导体激光器的时序控制图；
图2为使用两个半导体激光器的装置示意图。
其中，1为第一半导体激光器，2为第二半导体激光器，3为合束器，4为反馈系数控制单元，5为第一反射镜，6为匹配透镜，7为第二反射镜，8为压电陶瓷，9为光学腔，10为光电探测器，11为数据采集卡，12为电计算机，13为第一半导体激光器控制器，14为第二导体激光器控制器。
具体实施方式
实施例1
图1举例说明了当使用两个半导体激光器时的时序控制图，图1(a)和(b)表示第一半导体激光器1和第二半导体激光器2的驱动电流，图1(c)表示透射腔模信号。根据激光器不同的状态将时刻划分为状态①和②。对于状态①，第一半导体激光器1驱动电流为0，因此该激光器未工作，第二半导体激光器2的驱动电流不为0，并且激光频率通过一个扫描信号进行调谐，此时在腔的透射端可以观测到第二半导体激光器2引起的腔模信号，并且由于光学反馈对第二半导体激光器2的作用，可以看到信噪比高、并且时间宽度宽的腔模信号，可以用于测量气体吸收信号。同时由于第一半导体激光器1处于关闭状态，因此不会产生光学反馈对第二半导体激光器2产生影响。到了状态②，第二半导体激光器2驱动电流变为0，而第一半导体激光器1的驱动电流不为0，并且激光频率通过一个扫描信号进行调谐，此时在腔的透射端可以观测到第一半导体激光器1引起的腔模信号，并且由于光学反馈对第一半导体激光器1的作用，可以观测到信噪比高、并且时间宽度宽的腔模信号。同时由于第二半导体激光器2处于关闭状态，因此不会产生光学反馈对第一半导体激光器1产生影响。之后状态①和②切换运行，从而实现基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱，实现多波长、多气体的光谱测量。
如图2所示，一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，包括两个半导体激光器(分别为第一半导体激光器1、第二半导体激光器2)、合束器2、反馈系数控制单元4、第一反射镜5、匹配透镜6、第二反射镜7、压电陶瓷8、光学腔9、光电探测器10、数据采集卡11、计算机12、两个半导体激光器控制器(分别为第一半导体激光器控制器13、第二导体激光器控制器14)；
所述第一半导体激光器1，第二半导体激光器2作为光源，输出端发射两束激光(一个激光器一束)，所述两束激光依次经过合束器3、反馈系数控制单元4、第一反射镜5、匹配透镜6、第二反射镜7、光学腔9，所述光学腔9的反射光沿原路返回第一半导体激光器1、第二半导体激光器2，所述光学腔9的腔模信号进入光电探测器10，所述光电探测器10输出信号通过数据采集卡11进入计算机12，所述计算机12的第一输出端与压电陶瓷8连接，将计算机内产生的校正信号传输至压电陶瓷8，所述第二反射镜7固定在压电陶瓷8上，所述计算机12的第二输出端分别与第一半导体激光器控制器13、第二导体激光器控制器14连接，将计算机12内产生的时序信号传输至第一半导体激光器控制器13、第二导体激光器控制器14。
本实施例中，光学腔9为线性腔、V型腔或者四镜腔，反馈系数控制单元4为一个光强衰减片或一个偏振分束棱镜和四分之玻片的结合。

Claims (4)

1.一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，其特征在于，包括多个半导体激光器、多个合束器、反馈系数控制单元、第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、压电陶瓷、光学腔、光电探测器、数据采集卡、计算机、多个半导体激光器控制器；
所述多个半导体激光器作为光源发射多束激光，所述多束激光依次经过合束器、反馈系数控制单元、第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、光学腔，所述光学腔的反射光沿原路返回半导体激光器，所述光学腔的腔模信号进入光电探测器，所述光电探测器输出信号通过数据采集卡进入计算机，所述计算机的第一输出端与压电陶瓷连接，将计算机内产生的校正信号传输至压电陶瓷，所述第一反射镜或者第二反射镜固定在压电陶瓷上，所述计算机的第二输出端分别与多个半导体激光控制器连接，将计算机内产生的时序信号传输至每个半导体激光控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，其特征在于，所述光学腔为线性腔、V型腔或者四镜腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，其特征在于，所述计算机可由嵌入式系统替换。
4.根据权利要求1所述的一种基于多激光器的光学反馈线性腔增强光谱装置，其特征在于，所述反馈系数控制单元为光强衰减片或偏振分束棱镜和四分之玻片的结合。
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