CN114018868A - 一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置及方法。本发明结合了光学反馈以及线性腔，让激光依次通过反馈系数控制单元，粘在压电陶瓷上的反射镜，匹配透镜，耦合进入一个线性光学腔，光学腔的透射信号被探测器测量，送入脉冲发生器，用于产生脉冲信号触发衰荡事件；另外部分透射信号还送入数据采集卡，用于采集腔模信号、产生校正信号控制反馈相位以及采集衰荡信号。这种方法提升激光到腔耦合效率，可以提升腔衰荡光谱系统的信噪比、重复性以及探测灵敏度。

Description

一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置及方法。

背景技术

痕量气体检测在众多领域都有应用，包括工业生产过程控制、精细农业、污染检测、深海科考、同位素定年以及基础科学研究等。传统的气体检测方式包括电化学、接触燃烧、半导体式等，它们具有灵敏度低、响应慢、易中毒等缺点。

激光吸收光谱技术是一种新型气体检测技术，其具有高灵敏、高分辨、实时在线响应等特点。其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。然而由于噪声的限制，特别是收到激光强度噪声的影响，直接吸收光谱技术的探测灵敏度较低，不能满足大部分领域应用的需求。

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腔气体吸收信号。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。当激光耦合进入光学腔后，会在高反镜之间来回反射，从而增长激光与气体的作用路径。基于此原理，人们发展了腔增强光谱技术、腔衰荡光谱技术、积分腔输出光谱技术等等。其中，腔衰荡光谱技术(CRDS)通过测量光强信号的衰荡时间反演腔内气体吸收量，不受光强噪声影响，因此探测灵敏度更高，应用也更广泛。

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CRDS的光信号很小，很容易受到探测器等噪声的影响，损害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三镜腔衰荡光谱技术。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。然而相较于更加传统的两镜腔，由于三镜腔增加一个腔镜的使用，引入额外损耗，并且更易受振动的影响。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置，包括激光器控制器、半导体激光器、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、线性腔、光电探测器、脉冲发生器、加法器、函数发生器、数据采集卡、计算机；

所述半导体激光器输出端发射激光，所述激光依次经过第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、线性腔，所述线性腔的透射光进入光电探测器探测，所述光电探测器的第一输出端与脉冲发生的输入端连接，将光电探测器的输出信号送入脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端与加法器的第一输入端连接，将脉冲发生器产生的脉冲信号送入加法器，所述函数发生器与加法器的第二输入端连接，将函数发生器输出的三角波信号送入加法器，所述加法器的输出端与激光器控制器的输入端连接，将脉冲信号和三角波信号送入激光器控制器，所述激光器控制器的输出端与半导体激光器的输入端连接，通过改变驱动电流来控制激光频率，所述光电探测器的腔模信号通过数据采集卡采集，送入计算机，所述计算机与压电陶瓷连接，将计算机产生的校正信号发送给压电陶瓷，所述第一反射镜或者第二反射镜固定在压电陶瓷上。

进一步，所述反馈系数控制单元为光学衰减器、中性密度滤波器或者偏振分束棱镜与四分之玻片的结合。

进一步，所述计算机可由嵌入式系统替换。

一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱方法，包括以下步骤：

步骤1，半导体激光器作为光源，函数发生器输出的三角波信号与脉冲信号发生器产生的信号通过加法器送入激光器控制器，通过改变驱动电流来控制半导体激光器发射的激光频率，半导体激光器出射的激光通过反馈系数控制单元，调节反馈光的比例，使光学反馈工作在线性区域；

步骤2，之后激光再通过第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜，其中一个反射镜粘在压电陶瓷上，通过调谐压电陶瓷的驱动电压，改变反射镜位置，从而调节激光反馈相位；

步骤3，之后激光射入线性腔，激光在腔内延直线传输，线性腔的透射光被光电探测器所探测，光电探测器的输出信号送入脉冲发生器，脉冲发生器首先判断腔模是否在下降沿并且幅度超过阈值，当满足条件时，产生脉冲信号，送入加法器，用于控制激光频率，从而关断激光、触发衰荡事件；

步骤4，腔模信号同时被数据采集卡采集，送入计算机或者嵌入式系统，进行两个操作：首先通过腔模信号对称性的判断产生误差信号，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，然后对衰荡信号进行拟合，获得衰荡时间，反演线性腔内气体浓度；

所述拟合公式为：

I_t(t)＝I₀e^-τ·t (1)

其中，I₀为线性腔腔入射光强，I_t为透射光强，e表示e指数函数，t为采集信号的时间，τ为衰荡时间，表示为：

其中，L为光学腔长度，c表示光速，R为腔镜反射率，α表示气体吸收系数。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明发展了光学反馈线性腔衰荡光谱技术，相较于传统腔衰荡光谱技术，使用光学反馈提升了激光到腔耦合效率，从而提升信号信噪比，改善系统探测灵敏度。

2.本发明使用了线性腔，而不是传统光学反馈中使用的V型腔，具有结构简单、性能好、抗振动的优点。

附图说明

图1为当使用一个三角波信号扫描激光频率时实际测量得到的腔模信号与脉冲发生器输出信号。在扫描激光频率过程中，当激光频率与光学腔纵模频率重合时，腔内会建立起很强的光场。并且由于光学反馈的存在，激光的频率噪声会收到抑制，此时在腔的透射端将观测到较宽、信噪比很高的腔模信号。脉冲发生器在正常状况下输出为0.28V，当检测到腔模下降沿，并且幅度低于0.18V时，将产生一个脉冲信号，信号幅度为0.1V，时间宽度为10μs。这会导致激光频率产生偏差，从而不再与腔模频率重合，触发衰荡事件。10μs之后，秒冲信号恢复为0.18V，激光正常输出，激光频率被三角波扫描，等待下一个衰荡事件的产生。

图2为数据采集卡采样得到的衰荡信号、使用衰荡模型拟合的结果、拟合残差。可以看出实际采集信号和理论模型重合度很好，拟合残差很小，证实了理论和实验的高度符合。

图3是基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置的示意图。其中，1为激光器控制器，2为半导体激光器，3为反馈系数控制单元，4为第一反射镜，5为匹配透镜，6为第二反射镜，7为压电陶瓷，8为线性腔，9为光电探测器，10为脉冲发生器，11为加法器，12为函数发生器，13为数据采集卡，14为计算机。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，一种基于光学反馈的线性腔8衰荡光谱装置，包括激光器控制器1、半导体激光器2、反馈系数控制单元3、第一反射镜4、匹配透镜5、第二反射镜6、压电陶瓷7、线性腔8、光电探测器9、脉冲发生器10、加法器11、函数发生器12、数据采集卡13、计算机14；

所述半导体激光器2输出端发射激光，所述激光依次经过第一反射镜4、匹配透镜5、第二反射镜6、线性腔8，所述线性腔8的透射光进入光电探测器9探测，所述光电探测器9的第一输出端与脉冲发生的输入端连接，将光电探测器9的输出信号送入脉冲发生器10，所述脉冲发生器10的输出端与加法器11的第一输入端连接，将脉冲发生器10产生的脉冲信号送入加法器11，所述函数发生器12与加法器11的第二输入端连接，将函数发生器12输出的三角波信号送入加法器11，所述加法器11的输出端与激光器控制器1的输入端连接，将脉冲信号和三角波信号送入激光器控制器1，所述激光器控制器1的输出端与半导体激光器2的输入端连接，通过改变驱动电流来控制激光频率，所述光电探测器9的腔模信号通过数据采集卡13采集，送入计算机14，所述计算机14与压电陶瓷7连接，将计算机14产生的校正信号发送给压电陶瓷7，所述第一反射镜4或者第二反射镜6固定在压电陶瓷7上。

本实施例中，反馈系数控制单元3为光学衰减器、中性密度滤波器或者偏振分束棱镜与四分之玻片的结合，即光路上先放偏振分束棱镜，后放四分之玻片。

本实施例中，计算机14可由嵌入式系统替换，线性腔8为高精细度法布里玻罗光学腔。

一种基于光学反馈的线性腔8衰荡光谱方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，半导体激光器2作为光源，函数发生器12输出的三角波信号与脉冲信号发生器产生的信号通过加法器11送入激光器控制器1，通过改变驱动电流来控制半导体激光器2发射的激光频率，半导体激光器2出射的激光通过反馈系数控制单元3，调节反馈光的比例，使光学反馈工作在线性区域；

步骤2，之后激光再通过第一反射镜4、匹配透镜5、第二反射镜6，其中一个反射镜粘在压电陶瓷7上，通过调谐压电陶瓷7的驱动电压，改变反射镜位置，从而调节激光反馈相位；

步骤3，之后激光射入线性腔8，激光在腔内延直线传输，线性腔8的透射光被光电探测器9所探测，光电探测器9的输出信号送入脉冲发生器10，脉冲发生器10首先判断腔模是否在下降沿并且幅度超过阈值，当满足条件时，产生脉冲信号，送入加法器11，用于控制激光频率，从而关断激光、触发衰荡事件；脉冲信号时间宽度t和幅度可以根据实验过程进行调整。经过时间t后，脉冲信号恢复到初始状态，激光正常输出，等待下一个衰荡事件的产生。

步骤4，腔模信号同时被数据采集卡13采集，送入计算机14或者嵌入式系统，进行两个操作：首先通过腔模信号对称性的判断产生误差信号，获得校正信号送给压电陶瓷7，用于实时动态调整反馈相位，使其符合光学反馈的要求，然后对衰荡信号进行拟合，获得衰荡时间，反演线性腔8内气体浓度；

所述拟合公式为：

I_t(t)＝I₀e^-τ·t (1)

其中，I₀为线性腔腔入射光强，I_t为透射光强，e表示e指数函数，t为采集信号的时间，τ为衰荡时间，表示为：

其中，L为线性腔长度，c表示光速，R为腔镜反射率，α表示气体吸收系数，与气体浓度有关。

本实施例中，半导体激光器采用1653nm的半导体激光器，线性腔长度L为40cm，R为0.9992％，I₀为0.28V，腔内未冲入气体，因此吸收系数α为0；获得的衰荡时间τ为1.67μs。

Claims (4)

1.一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置，其特征在于，包括激光器控制器、半导体激光器、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、线性腔、光电探测器、脉冲发生器、加法器、函数发生器、数据采集卡、计算机；

所述半导体激光器输出端发射激光，所述激光依次经过第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜、线性腔，所述线性腔的透射光进入光电探测器探测，所述光电探测器的第一输出端与脉冲发生的输入端连接，将光电探测器的输出信号送入脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端与加法器的第一输入端连接，将脉冲发生器产生的脉冲信号送入加法器，所述函数发生器与加法器的第二输入端连接，将函数发生器输出的三角波信号送入加法器，所述加法器的输出端与激光器控制器的输入端连接，将脉冲信号和三角波信号送入激光器控制器，所述激光器控制器的输出端与半导体激光器的输入端连接，通过改变驱动电流来控制激光频率，所述光电探测器的腔模信号通过数据采集卡采集，送入计算机，所述计算机与压电陶瓷连接，将计算机产生的校正信号发送给压电陶瓷，所述第一反射镜或者第二反射镜固定在压电陶瓷上。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置，其特征在于，所述反馈系数控制单元为光学衰减器、中性密度滤波器或者偏振分束棱镜与四分之玻片的结合。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱装置，其特征在于，所述计算机可由嵌入式系统替换。

4.一种基于光学反馈的线性腔衰荡光谱方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，半导体激光器作为光源，函数发生器输出的三角波信号与脉冲信号发生器产生的信号通过加法器送入激光器控制器，通过改变驱动电流来控制半导体激光器发射的激光频率，半导体激光器出射的激光通过反馈系数控制单元，调节反馈光的比例，使光学反馈工作在线性区域；

步骤2，之后激光再通过第一反射镜、匹配透镜、第二反射镜，其中一个反射镜粘在压电陶瓷上，通过调谐压电陶瓷的驱动电压，改变反射镜位置，从而调节激光反馈相位；

步骤3，之后激光射入线性腔，激光在腔内延直线传输，线性腔的透射光被光电探测器所探测，光电探测器的输出信号送入脉冲发生器，脉冲发生器首先判断腔模是否在下降沿并且幅度超过阈值，当满足条件时，产生脉冲信号，送入加法器，用于控制激光频率，从而关断激光、触发衰荡事件；

步骤4，腔模信号同时被数据采集卡采集，送入计算机或者嵌入式系统，进行两个操作：首先通过腔模信号对称性的判断产生误差信号，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，然后对衰荡信号进行拟合，获得衰荡时间，反演线性腔内气体浓度；

所述拟合公式为：

I_t(t)＝I₀e^-τ·t (1)

其中，I₀为线性腔腔入射光强，I_t为透射光强，e表示e指数函数，t为采集信号的时间，τ为衰荡时间，表示为：

其中，L为线性腔长度，c表示光速，R为腔镜反射率，α表示气体吸收系数。

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