CN114018869A - 一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置 - 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纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。本装置使用光纤耦合半导体激光器作为光源。使用激光控制器对激光器的温度及电流进行控制，而激光输出频率由函数发生器扫描激光驱动电流来调谐。激光器输出的光在光纤中输入到一个光纤耦合的电光调制器中，之后被一个准直器转化为空间光，空间光经过λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、匹配透镜以及一个分束器后射入腔内。腔透射出的激光通过聚焦透镜汇聚到光电探测器后通过高速数据采集卡送入计算机，使用LabView程序记录并处理腔模信号。通过波纹管将腔、气压计、真空泵相连接，实现腔内气压的控制。

Description

一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。

背景技术

随着近百年来人类科学技术的超高速发展，环境污染问题已愈发显著。全球空气质量首当其冲，日益严重的空气污染极大地影响着人们的身心健康，由此诱发的呼吸系统疾病已然成为人类死亡的主要原因之一，因此对有害气体的超灵敏监测至关重要。另外在工农业以及科学研究等领域，超灵敏痕量气体检测也扮演着重要角色。

激光吸收光谱技术的优势在于：激光的强度很高，足以抑制探测器中产生的噪声干扰；同时激光的准直性还有利于采用多光程池或腔增强技术，以增加气体的吸收路径；另外激光的单色性可以极大程度提升光谱分辨率，并且抑制光谱信号的频率噪声。所有这些特点均可提高气体的检测灵敏度。

腔增强光谱(CEAS)技术利用高反射镜极大地增长了气体的吸收路径，由此大大提升了气体的检测灵敏度，最简单的CEAS技术是直接CEAS，但是受到大线宽激光到高精细腔的低下耦合效率，以及超高速数据采集卡的昂贵价格的限制，直接CEAS的腔膜信号会上下浮动，导致其光谱信号信噪比极差，很难实现低浓度气体吸收光谱的准确测量。

光学反馈腔增强吸收光谱技术(OF-CEAS)通过将腔内谐振场反馈注入到激光器中，只要将反馈光相位控制得当，激光器的输出波长就会被锁定在腔膜频率上。这种方法可以很好地解决宽线宽激光器在与高精细度腔耦合过程中出现的耦合效率低下的问题。2005年，J.Morville等人首次提出OF-CEAS，其基于三镜V型腔，使用光学反馈实现了高灵敏CEAS。之后经过数年的发展，OF-CEAS已较为成熟，基于线性F-P腔的OF-CEAS的可行性也得到了实验的验证，但无论腔的形式如何，OF-CEAS的稳定性，特别是用于控制反馈相位的压电陶瓷，都对空间震动十分敏感，平台的微小形变都极大地干扰着反馈相位，进而影响光谱信号的信噪比。所以我们发明了一种新型的、基于光纤耦合器件的OF-CEAS技术，相较于常规的基于空间光的光学反馈技术，本发明使用光纤耦合的电光调制器用于控制反馈相位，避免了压电陶瓷的使用；此外，本发明激光器到腔前镜的光程包含光纤部分以及空间光部分，可以极大地缩短了空间光的传输路径，进一步有效降低空间震动的干扰；同时由于光纤器件具有灵活安装的特性，这种技术极大地提升了OF-CEAS的应用前景。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，包括半导体激光控制器、光纤耦合半导体激光器、光纤耦合电光调制器、准直器、匹配透镜、λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、光学腔、第二聚焦透镜、第二光电探测器、计算机、函数发生器；

激光源为光纤耦合半导体激光器，所述光纤耦合半导体激光器的输入端与半导体激光控制器的输出端连接，控制光纤耦合半导体激光器的驱动电流和温度，所述光纤耦合半导体激光器的频率调谐通过函数发生器输出的三角波信号扫描半导体激光控制器的驱动电流实现，所述光纤耦合半导体激光器的输出端通过光纤依次与光纤耦合电光调制器、准直器连接，所述准直器将激光转化为空间光，所述空间光经过匹配透镜、λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、光学腔，所述光学腔透射出的光由第二聚焦透镜汇聚到第二光电探测器后输出到数据采集卡中，并由计算机通过Labview程序进行记录和处理。改变光纤耦合电光调制器的输入电压可以实现对反馈光相位的精细调节，使其满足光学反馈对反馈相位的要求；另外λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片组合的作用是控制谐振场的反馈率，旋转λ/4片可以实现反馈率的放缩。

进一步，还包括分束器、第一聚焦透镜、第一光电探测器，所述分束器设置在λ/4片与光学腔之间，所述分束器的反射分光经过由第一聚焦透镜汇聚到第一光电探测器后输出到数据采集卡中，并由计算机通过Labview程序进行记录和处理。分束器的作用是从入射光中分出一部分作为平衡探测中的无吸收信号。

进一步，所述光学腔为线性腔、V型腔或四镜腔。只需根据腔的参数调节谐振场的反馈率以及空间光的光程即可。

进一步，还包括气压计、真空泵，所述真空泵通过波纹管与光学腔连接，所述气压计设置在真空泵与光学腔之间的波纹管上，实现腔内气压的控制。

进一步，还包括精准位移台，所述精准位移台设置在准直器的下方。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.采用光纤耦合器件实现了光学反馈，简化了空间光路，便于系统集成化。

2.采用光纤耦合激光器，更利于做激光器的整体控温。

3.通过光纤耦合光纤耦合电光调制器的输入电压实现反馈相位的精准控制。光纤耦合电光调制器具有带宽宽、响应快的优势，并且相对于压电陶瓷，受振动影响小。

附图说明

图1为基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置示意图；

图2为光学反馈腔模信号；

图3为不同光纤耦合电光调制器3输入电压下的相位变化；

图4为当地大气压下(694torr)27℃时C₂H₂气体的吸收谱；

图5为4.4ppm乙炔气体吸收系数与相对频率的关系，图5(a)为气体的吸收系数与频率的关系，图5(b)为拟合差；

其中，1-半导体激光控制器、2-光纤耦合半导体激光器、3-光纤耦合电光调制器、4-准直器、5-匹配透镜、6-λ/2片、7-偏振光束分束器、8-λ/4片、9-分束器、10-第一聚焦透镜、11-第一光电探测器、12-光学腔、13-第二聚焦透镜、14-第二光电探测器、15-计算机、16-气压计、17-真空泵、18-精准位移台、19-函数发生器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，包括半导体激光控制器1、光纤耦合半导体激光器2、光纤耦合电光调制器3、准直器4、匹配透镜5、λ/2片6、偏振光束分束器7、λ/4片8、分束器9、第一聚焦透镜10、第一光电探测器11、光学腔12、第二聚焦透镜13、第二光电探测器14、计算机15、气压计16、真空泵17、精准位移台18、函数发生器19；

所述光纤耦合半导体激光器2的输入端与半导体激光控制器1的输出端连接，控制光纤耦合半导体激光器2的驱动电流和温度，所述函数发生器19的输出端与半导体激光控制器1的输入端连接，所述光纤耦合半导体激光器2的频率调谐通过函数发生器输出的三角波信号扫描半导体激光控制器1的驱动电流实现，所述光纤耦合半导体激光器2的输出端通过光纤依次与光纤耦合电光调制器3、准直器4连接，所述准直器4将激光转化为空间光，所述空间光经过匹配透镜5、λ/2片6、偏振光束分束器7、λ/4片8、光学腔12，所述光学腔12透射出的光由第二聚焦透镜13汇聚到第二光电探测器14后输出到数据采集卡中，并由计算机15通过Labview程序进行记录和处理。

所述分束器9设置在λ/4片8与光学腔12之间，所述分束器9的反射分光经过由第一聚焦透镜10汇聚到第一光电探测器11后输出到数据采集卡中，并由计算机15通过Labview程序进行记录和处理。所述真空泵17通过波纹管与光学腔12连接，所述气压计16设置在真空泵17与光学腔12之间的波纹管上。所述精准位移台18设置在准直器4的下方。

本实施例的光学腔12为线性腔、V型腔或四镜腔。

通过扫描激光频率获得了连续的腔模信号。因为光纤耦合半导体激光器2的线宽比腔模式线宽宽很多，导致激光只有少部分可以耦合到腔内，此时探测到的腔透射光模式杂乱且上下起伏，如果直接使用这样的模幅度来测量吸收，由于采样率的限制，无法采集到完整的腔模信号进而获得完整的腔增强吸收信号。而光学反馈可以使激光器的输出频率被锁定在共振频率处，大大提高了激光对腔的耦合效率，提升了腔模峰值的稳定性，图2所示的是基于本发明的光学反馈腔模信号，图中的每个单一腔模都是轴对称的拱门形。但是当反馈相位发生微小偏差时，腔模会表现出不对称性，我们使用Labview程序通过计算腔模中点左右的面积差判断腔模对称性，进而产生误差信号调节光纤耦合电光调制器3输入电压，实时控制反馈相位。不同输入电压下的光纤耦合电光调制器3对相位的影响如图3所示，可以看到改变输入电压会改变腔模对称性，因此光纤耦合电光调制器3可以胜任调节反馈相位的工作，同时相比于压电陶瓷(PZT)，光纤耦合电光调制器3带宽更宽，响应时间更短，因此使用光纤耦合电光调制器3调相更加高效。

在实现实时相位控制的基础上，我们通过测量C₂H₂在1531.58nm处的吸收线(吸收线强度大约为1.2×10^-20cm^-1/mol·cm^-2)，对乙炔的吸收光谱进行了精确测量。我们将4.4ppm左右的乙炔充入腔内，并将压强控制在694torr(与太原本地的大气压一致)，此时采集到的透射腔模信号如图4所示。可以看到腔模序列中间位置有个由C₂H₂吸收引起的幅度凹陷。同时我们采用平衡探测的方法，将注入腔之前的光使用分束器9分出一部分作为无吸收信号。利用比尔-朗伯定律即可得出气体的吸收系数与频率的关系如图5(a)黑色点所示，相对频率与腔的自由光谱区有关，我们采用的是腔长为39CM的线性F-P腔采用洛伦兹线型对他进行拟合，拟合结果如图5(a)黑色线所示，由此便可以得出气体的浓度，图5(b)为拟合残差。

Claims (5)

1.一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，其特征在于，包括半导体激光控制器、光纤耦合半导体激光器、光纤耦合电光调制器、准直器、匹配透镜、λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、光学腔、第二聚焦透镜、第二光电探测器、计算机、函数发生器；

所述光纤耦合半导体激光器的输入端与半导体激光控制器的输出端连接，所述函数发生器的输出端与半导体激光控制器的输入端连接，所述光纤耦合半导体激光器的输出端通过光纤依次与光纤耦合电光调制器、准直器连接，所述准直器将激光转化为空间光，所述空间光经过匹配透镜、λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、光学腔，所述光学腔透射出的光由第二聚焦透镜汇聚到第二光电探测器后输出到数据采集卡中，并由计算机通过Labview程序进行记录和处理。

2.根据权利要求1的一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，其特征在于，还包括分束器、第一聚焦透镜、第一光电探测器，所述分束器设置在λ/4片与光学腔之间，所述分束器的反射分光经过由第一聚焦透镜汇聚到第一光电探测器后输出到数据采集卡中，并由计算机通过Labview程序进行记录和处理。

3.根据权利要求1的一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，其特征在于，还包括气压计、真空泵，所述真空泵通过波纹管与光学腔连接，所述气压计设置在真空泵与光学腔之间的波纹管上。

4.根据权利要求1的一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，其特征在于，还包括精准位移台，所述精准位移台设置在准直器的下方。

5.根据权利要求1的一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述光学腔为线性腔、V型腔或四镜腔。

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