CN115356086A - 基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决现有对扫描激光器动态线宽的测量方法，均针对窄线宽激光器，且需要搭建复杂的测量光路，不适用线宽较宽的扫描光源在波长扫描过程中的动态线宽测量的技术问题，提出了一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法。包括以下步骤：[1]根据光源的光谱扫描范围，选择吸收介质，搭建吸收光路，测量并记录吸收池内信息；[2]激光光束传输通过吸收池，采样得到不同波长处的吸收光谱数据；[3]利用光谱数据库，计算得到不同激光线宽条件下的理论吸收光谱数据；[4]将得到的吸收光谱与理论吸收光谱进行比对，计算均方根残差并进行最小二乘法拟合，均方根残差最小处对应的线宽即为该激光器的动态扫描线宽。
Description
技术领域
本发明涉及激光吸收光谱技术领域，具体涉及一种吸收光谱中波长扫描激光器的动态线宽的测量方法。
背景技术
吸收光谱技术通过采用波长可调谐的激光扫描待测气体分子的特征吸收谱线，可以实现对待测气体温度、浓度以及压强等物理量的非接触在线测量，在大气遥感、环境监测、危险气体泄漏预警等领域获得了广泛应用。目前，吸收光谱技术中使用的波长扫描光源一般包含两种，一种是窄带扫描光源，如DFB激光器等；另一种是宽带扫描光源，如傅里叶域锁模光纤激光器等。
实验测量得到的吸收光谱信号是气体分子的实际吸收光谱信号与激光器光谱信号的卷积。因此，激光器的光谱特性直接影响着吸收光谱技术的测量结果。使用DFB激光器时，由于其线宽在数十MHz量级，一般远小于气体分子的实际吸收光谱线宽，因此可忽略DFB激光器线宽对测量结果的影响。但是，傅里叶域锁模光纤激光器输出线宽一般较宽，在数十GHz量级，在低压下应用时会使测量得到的吸收光谱线宽变大，从而严重影响物理参数反演的精度，尤其会对压强的精确反演带来极大难度。因此，使用中必须对光源的动态线宽进行监测。
一般情况下对激光器线宽的测量都是在静态条件下完成的，即测量时需保持激光器波长稳定。但是，激光器在动态扫描条件下的线宽与静态条件下测量的线宽是存在较大差异的，静态线宽无法真实反映激光器在波长扫描状态下的真实线宽。因此，对扫描光源动态线宽的测量就显得尤为重要。
为了实现对扫描激光器动态线宽的测量，刘景旺等(刘景旺,杜振辉,齐汝宾,徐可欣.DFB激光器调谐过程的动态线宽特性,纳米技术与精密工程,2012,10(4):332-336.)提出了光纤延时自外差法；安颖等(安颖，杜振辉，徐可欣.超短时延测量DFB激光器的动态线宽.物理学报,2013,62(17):174208.)发展了超短时延测量系统；李珍珺等(李珍珺,宋雷.OFDR线性扫描光源动态线宽测量.电子元器件与信息技术,2019,3(11):62-64；赵灿,李珍珺,周雷.一种动态线宽测量系统及其测量方法,国家发明专利,申请号202010452681.0.)发展了基于短时傅里叶分析的光纤延时自外差动态线宽测量方案。上述方法都实现了对波长扫描激光器动态线宽的测量。
但是，上述测量方案都是针对窄线宽激光器设计的，且其测量系统都需要搭建复杂的测量光路，对于线宽较宽的扫描光源(如傅里叶域锁模光纤激光器)，上述方法不再适用。
发明内容
本发明为了解决现有对扫描激光器动态线宽的测量方法，均针对窄线宽激光器，且其测量系统都需要搭建复杂的测量光路，不适用于线宽较宽的扫描光源在波长扫描过程中的动态线宽测量的技术问题，提出了一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，可用于对吸收光谱应用中的波长扫描光源进行动态线宽的实时监测，从而提高吸收光谱技术的测量精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[1]根据激光器的光谱扫描范围，选择吸收介质；搭建吸收光路，吸收介质充入吸收池内，测量并记录吸收池内的压强P、温度T、吸收路径长度L以及吸收介质的摩尔分数X；
[2]激光光束传输通过吸收池，测量并记录吸收信号，得到不同波长wi处的吸收光谱数据a(wi)，i为整数；
[3]根据步骤[1]得到的压强P、温度T、吸收路径长度L和吸收介质摩尔分数X，利用光谱数据库，计算得到不同激光线宽Δνj条件下的理论吸收光谱数据c(wi,Δνj)，j≥5，且为整数；
[4]将测量得到的吸收光谱数据a(wi)与计算得到的理论吸收光谱c(wi,Δνj)进行光谱比对，并计算均方根残差σj；
根据σj的分布特性进行最小二乘法拟合，σj最小处对应的线宽Δν0，即为该激光器的动态扫描线宽。
进一步地，在时域上对激光器波长进行周期性扫描并测量吸收光谱，重复步骤[4]即可得到不同时间处激光器动态扫描线宽的。
进一步地，在频域上改变激光器的扫描光谱范围，重复步骤[1]～[4]即可得到不同波长扫描范围内激光器的动态扫描线宽。
进一步地，步骤[4]中，光谱比对采用直接比对法或一阶导数法。
进一步地，步骤[4]中，所述的直接比对法是将实测光谱与理论模拟光谱直接相减；
均方根残差σj：
进一步地，步骤[4]中，所述的一阶导数法是先对实测光谱和理论模拟光谱求导，然后将求导结果进行相减；
均方根残差σj：
其中，c'(wi,Δvj)为理论吸收光谱的一阶导数；a'(wi)为吸收光谱数据的一阶导数。
进一步地，步骤[1]中，所述吸收池内的压强不超过1个大气压。
进一步地，步骤[3]中，所述的光谱数据库为HITRAN2016数据库。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供了基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，能够实现对波长扫描激光器动态线宽的实时监测，从而有助于提高吸收光谱技术的测量精度。
2、本发明的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，光谱适用范围广，不受激光器波长的限制，只需选择合适的吸收介质即可实现对动态线宽的测量，适用光谱范围覆盖紫外到远红外波段。
3、以本发明基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法为基础，在时域上对激光器波长进行周期性扫描并测量吸收光谱，可得到不同时间处激光器动态扫描线宽；在频域上改变激光器的扫描光谱范围，可得到不同波长扫描范围内激光器的动态扫描线宽。
附图说明
图1为本发明基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中测量得到的吸收介质的典型吸收光谱；
图3为本发明实施例中不同激光器线宽下的理论吸收光谱；
图4为本发明实施例中利用直接比对法得到的均方根残差分布特性及拟合情况；
图5为本发明实施例中激光器在静态输出条件下光谱仪测得的输出光谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本实施例提供针对1.36μm波段傅里叶域锁模光纤激光器，利用本发明提供的方法对其在波长扫描过程中的动态线宽进行测量的过程。如图1所示，本实施例基于吸收光谱的波长扫描激光器动态线宽测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、在1.36μm波段直接选择空气中的水分子作为吸收介质，搭建吸收光路，将水分子充入吸收池内，测量并记录常温常压下空气的相对湿度R＝55.7％和吸收路径长度L＝1m，计算得到空气中水分子的摩尔分数X＝0.015。
如选择其他吸收介质，吸收通道内的压强应不超过1个大气压，以避免因压强展宽降低激光器动态线宽测量的精度。
步骤2)、激光光束传输通过上述吸收路径，测量吸收信号，并处理得到吸收光谱数据a(wi)，i为整数，如图2所示。
步骤3)、利用HITRAN2016光谱数据库，在常温常压和已知的吸收路径长度L＝1m和水分子摩尔分数X＝0.015下，计算得到不同激光线宽Δνj条件下的理论吸收光谱数据c(wi,Δνj)，j≥5，且为整数，如图3所示。
图中给出了6个不同激光器线宽下的理论计算结果，激光器线宽分别为0.06nm、0.08nm、0.10nm、0.12nm、0.14nm和0.16nm。
步骤4)、将测量得到的吸收光谱数据与计算得到的理论吸收光谱数据进行比对，计算均方根残差σj。
根据σj的分布特性进行最小二乘法拟合，σj最小处对应的线宽Δν0即为该激光器的动态扫描线宽。
图4所示为直接比对法得到的均方根残差分布情况以及拟合结果，由图中拟合结果可见，波长扫描情况下，激光器的动态线宽约为0.108nm。
图5所示为激光器在静态输出条件下由光谱仪测得的输出光谱，光谱分析表明其3dB线宽约为0.10nm，与本发明提供的动态线宽测量结果相近。
利用本发明，在时域上对激光器波长进行周期性扫描并测量吸收光谱，重复步骤4)即可得到不同时间处激光器动态扫描线宽。
在频域上改变激光器的扫描光谱范围，重复步骤1)～步骤4)即可得到不同波长扫描范围内激光器的动态扫描线宽。
本发明不局限上述具体实施方式，譬如激光器类型、激光器波长范围、吸收介质种类以及所测量的具体环境等均可以超出实施例中列举的类型，以上变化均在本发明的保护范围内。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[1]根据激光器的光谱扫描范围，选择吸收介质；搭建吸收光路，吸收介质充入吸收池内，测量并记录吸收池内的压强P、温度T、吸收路径长度L以及吸收介质的摩尔分数X；
[2]激光光束传输通过吸收池，测量并记录吸收信号，得到不同波长wi处的吸收光谱数据a(wi)，i为整数；
[3]根据步骤[1]得到的压强P、温度T、吸收路径长度L和吸收介质摩尔分数X，利用光谱数据库，计算得到不同激光线宽Δνj条件下的理论吸收光谱数据c(wi,Δνj)，j≥5，且为整数；
[4]将测量得到的吸收光谱数据a(wi)与计算得到的理论吸收光谱c(wi,Δνj)进行光谱比对，并计算均方根残差σj；
根据σj的分布特性进行最小二乘法拟合，σj最小处对应的线宽Δν0，即为该激光器的动态扫描线宽。
2.根据权利要求1所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
在时域上对激光器波长进行周期性扫描并测量吸收光谱，重复步骤[4]即可得到不同时间处激光器动态扫描线宽。
3.根据权利要求1所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
在频域上改变激光器的扫描光谱范围，重复步骤[1]～[4]即可得到不同波长扫描范围内激光器的动态扫描线宽。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
步骤[4]中，光谱比对采用直接比对法或一阶导数法。
5.根据权利要求4所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
步骤[4]中，所述的直接比对法是将实测光谱与理论模拟光谱直接相减；
均方根残差σj：
6.根据权利要求4所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
步骤[4]中，所述的一阶导数法是先对实测光谱和理论模拟光谱求导，然后将求导结果进行相减；
均方根残差σj：
其中，c'(wi,Δvj)为理论吸收光谱的一阶导数；a'(wi)为吸收光谱数据的一阶导数。
7.根据权利要求4所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
步骤[1]中，所述吸收池内的压强不超过1个大气压。
8.根据权利要求7所述的基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特征在于：
步骤[3]中，所述的光谱数据库为HITRAN2016数据库。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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