CN116735513A - 一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学气体传感技术领域，尤其涉及一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，包括如下步骤：S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；检测系统包括激光器、电光调制器、三端环形器、准直器、模式匹配透镜组、光学腔、光电探测器一、函数发生器、混频器、采集卡和计算机；S2：向光学腔中通入待测气体，并得到待测气体腔的腔增强吸收光谱；S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。本发明不需要额外的标准气体，避免了由于标准气体浓度不确定引入的误差，同时也弥补了在反射率相对较低时，传统光腔衰荡技术难以测量反射率的不足。
Description
技术领域
本发明涉及光学气体传感技术领域，尤其涉及一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法。
背景技术
随着传感技术的快速发展，基于光学腔具有极高的探测灵敏度、可以增加激光与待测气体相互作用的长度等优点，光腔衰荡光谱技术和腔增强吸收光谱技术等腔增强技术也得到了快速的发展。腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点，是高灵敏吸收光谱技术的重要分支，在腔增强吸收光谱技术的应用过程中，腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素，因此确定腔镜的反射率在腔增强吸收光谱中至关重要。
目前传统的腔镜反射率测定方法主要是利用光腔衰荡技术或标准气体样品对腔镜反射率进行测定。现有的方法主要存在如下问题：
1、利用光腔衰荡技术确定腔镜反射率的方法虽然具有灵敏度高的优点，但当反射率较低时，即R<0.999时，由于衰减时间过短，探测器难以探测得到准确的衰减时间，无法进行腔镜反射率测定；但R<0.999属于腔增强吸收光谱技术中所用光学腔的反射率范围，因此，光腔衰荡技术在反射率相对较低的腔增强吸收光谱系统中的应用受到了限制；
2、使用标准气体确定腔镜反射率的方法易受气体样品浓度不准确以及激光强度偏移的影响，存在较大的误差。
综上所述，如何设计一种不用标准气体且可高效便捷的测定光学腔的反射率，进而实现免标定的腔增强吸收光谱技术，是当下亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，可避免因标准气体浓度不准确引入的误差，也可弥补在反射率相对较低时传统光腔衰荡技术难以测量反射率的不足，可高效便捷的测定光学腔的反射率，实现免标定的腔增强吸收光谱。
为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，包括如下步骤：
S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；
S2：向光学腔中通入待测气体，并得到待测气体腔的腔增强吸收光谱；
S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。
进一步地，S1中的检测系统包括沿光路方向依次设置的激光器、电光调制器、三端环形器、准直器、模式匹配透镜组和光学腔；三端环形器连接有光电探测器一；电光调制器由函数发生器驱动，函数发生器还连接有混频器。
进一步地，S1中的光学腔反射率通过如下步骤获得：
S11：激光器发出的激光光束经电光调制器进行电光相位调制，再经三端环形器入射至准直器中，经准直器准直后的准直光束通过模式匹配透镜组耦合进入光学腔内；
S12、光学腔反射回的光束经过三端环形器并由光电探测器一接收，以此获得反射光束的功率信号，并传送至混频器；
S13、混频器对反射光束的功率信号和函数发生器的本地振荡信号做乘法运算，以此提取反射光的相位信息，并获得误差信号；
S14、根据误差信号得到光学腔的反射率。
进一步地，S13中的误差信号由公式(1)表示：
其中，Pc为载波的光功率，Ps为电光调制器引入边带的光功率，Ω为相位调制频率，ω为激光光束频率；
Im()为复数的虚部；
F()函数为光学腔的反射系数，由公式(2)表达：
其中，L为光学腔的长度，c为光速，r为腔镜的振幅反射系数，R为光学腔的等效反射率；F*()为F()函数的共轭。
进一步地，三端环形器包括入射端、出射端和反射端，入射端连接电光调制器，出射端连接准直器，反射端连接光电探测器一；电光调制器调制后的光束经过入射端和出射端入射至准直器中，光学腔反射回的光束经过出射端和反射端并由光电探测器一接收。
进一步地，S1中的检测系统还包括数据采集卡和计算机；S14中通过数据采集卡和计算机对误差信号进行归一化处理和最小二乘法拟合，得到光学腔的反射率。
进一步地，模式匹配透镜组包括沿光轴方向依次设置的第一模式匹配透镜和第二模式匹配透镜；经准直器准直后的准直光束依次经过第一模式匹配透镜和第二模式匹配透镜两次透射后入射至光学腔内。
进一步地，激光器为外腔半导体激光器，激光器的线宽为5–10kHz，激光器的扫描波长范围为1510–1595nm。
进一步地，准直器为光纤准直器，准直器出射光束的光斑直径≤2.15mm，发散角≤0.054°。
进一步地，S3中的待测气体浓度通过如下步骤反演得到：
S31：给出比尔朗伯定理表达式：
其中，I0为初始光强，I为探测光强，P为气体压强，S(T)为气体特征谱线线强度，为线型函数，X为待测气体浓度，L为激光在气体介质中的传播距离，α(ν)为吸收系数；
S32：对公式(3)的两边进行频域积分和变形运算，得到吸光度A的表达式：
S33：根据测定的光学腔反射率得到没有通入待测气体时光学腔的等效吸收距离：
其中，Leff为空腔等效吸收距离，R为空腔光学腔反射率，d为光学腔腔长；
S34：对腔长为d的光学腔，单次通光的吸光度为：
As＝PS(T)Xd (15)
S35：带有气体损耗的等效反射率为：
Rt＝Rexp(-As) (16)
S36：通入待测气体时，实际的光学腔等效吸收距离为：
S37：将光学腔实际等效吸收距离代入S32中的公式(4)中，得到：
其中，X为待测气体浓度，求解X值即得到待测气体浓度值。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1、本发明不需要使用标准气体样品对光学腔反射率进行标定，可直接通过获得的误差信号进行算法拟合，并得到光学腔的反射率，避免了由于标准气体浓度不确定及激光强度偏移引入的误差。
2、本发明具有较高的灵敏度，可快速测量光学腔的反射率；同时在光学腔反射率相对较低时，或无法通过搭建长光学腔来获得可探测到的衰荡时间时，也可进行应用，可弥补光腔衰荡技术在光学腔反射率较低时无法进行测定的不足。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的免标定腔增强吸收光谱检测系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的当激光中心波长为1531.59nm时误差信号以及对误差信号的拟合结果图；
图3是根据本发明实施例提供的不同浓度下的腔增强吸收光谱图；
图4是根据本发明实施例提供的反演气体浓度与配气机配气浓度的对比图。
附图标记：激光器1、电光调制器2、函数发生器3、三端环形器4、入射端41、出射端42、反射端43、光电探测器一5、混频器6、准直器7、模式匹配透镜组8、第一模式匹配透镜81、第二模式匹配透镜82、光学腔9、数据采集卡10、计算机11、光电探测器二12。
具体实施方式
在下文中，将参考附图1–4描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1–4及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，包括如下步骤：
S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率。其中，检测系统包括沿光路方向依次设置的激光器1、电光调制器2、三端环形器4、准直器7、模式匹配透镜组8、光学腔9；三端环形器4连接有光电探测器一5，电光调制器2由函数发生器3驱动，函数发生器3还连接有混频器6。
其中，激光器1为外腔半导体激光器，激光器1的线宽为5–10kHz，远小于光学腔9的模式线宽，对误差信号的影响较小；激光器1的扫描波长范围为15101595nm，扫描速度为0.3–0.7nm/s，本实施例中具体为0.5nm/s；激光器1发出的激光光束经过电光调制器2进行电光相位调制，函数发生器3发出的本地振荡的频率为20MHz。
三端环形器4包括入射端41、出射端42和反射端43，入射端41连接电光调制器2的输出端，出射端42连接准直器7的输入端，反射端43连接光电探测器一5；电光调制器2调制后的光束经过入射端41和出射端42入射至准直器7中，光学腔9反射回的光束经过出射端42和反射端43并由光电探测器一5接收。
准直器7为光纤准直器，准直器7出射光束的光斑直径≤2.15mm，发散角≤0.054°；激光光束经准直器7准直后的准直光束入射至模式匹配透镜组8内。模式匹配透镜组8包括沿光轴方向依次设置的第一模式匹配透镜81和第二模式匹配透镜82，第一模式匹配透镜81和第二模式匹配透镜82是焦距分别为30mm和50mm的紫外熔融石英双凸透镜，经准直器7准直后的准直光束依次经过第一模式匹配透镜81和第二模式匹配透镜82两次透射后入射至光学腔9内，从而更精确地与光学腔9的腔内模式进行匹配；光学腔9为法布里-珀罗谐振腔，光学腔9的腔长为80mm。
光学腔反射率通过如下步骤获得：
S11：激光器1发出的激光光束经电光调制器2进行电光相位调制，再经三端环形器4入射至准直器7中，经准直器7准直后的准直光束通过模式匹配透镜组8耦合进入光学腔9内。
S12、光学腔9反射回的光束经过三端环形器4并由光电探测器一5接收，以此获得反射光束的功率信号，并传送至混频器6。
S13、混频器6对反射光束的功率信号和函数发生器3的本地振荡信号做乘法运算，以此提取反射光的相位信息，并获得误差信号；
S14、根据误差信号得到光学腔反射率。
检测系统还包括数据采集卡10和计算机11，通过数据采集卡10和计算机11对误差信号进行归一化处理和最小二乘法拟合，得到光学腔反射率；检测系统还包括光电探测器二12，光电探测器二12用于探测光学腔9透射光的光功率信号，通过数据采集卡10以及计算机11采集得到透射光的吸收光谱，由透射光谱反演得到待测气体的浓度。
S13中的误差信号由公式(1)表示：
其中，Pc为载波的光功率，Ps为电光调制器2引入边带的光功率，Ω为相位调制频率，ω为激光光束频率；
Im()为复数的虚部；
F()函数为光学腔9的反射系数，由公式(2)表达：
其中，L为光学腔9的长度，c为光速，r为腔镜的振幅反射系数，R为光学腔9的等效反射率；F*()为F()函数的共轭。
S2：向光学腔9中通入待测气体，并得到待测气体腔的腔增强吸收光谱。
S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。本实施例中使用乙炔气体作为待测气体对可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法进行概念说明，选择乙炔1531.59nm处的吸收谱线作为目标吸收线；图2为当激光中心波长为1531.59nm时误差信号以及对误差信号的拟合结果图，其中1号线为原始数据，2号线为拟合后的数据。
具体的，激光器1发出的激光在1531.59nm附近扫描，电光调制器2对扫描激光束进行20MHz的电光相位调制；调制后的激光光束经过三端环形器4进入光纤准直器7，经过准直器7准直后的准直光束经过模式匹配透镜组8耦合进入光学腔9中，光学腔9的腔长为80mm；由光学腔9反射的反射光束通过三端环形器4入射至光电探测器一5内，混频器6对光电探测器一5的探测信号以及函数发生器3的20MHz的振荡信号做乘法处理，得到误差信号；数据采集卡10以及计算机11接收误差信号并对误差信号进行归一化处理和最小二乘法拟合，得到1531.59nm处光学腔反射率值；由于激光器1发出激光为以1531.59nm为中心波长的扫描信号，因此可得到多个该波长处的光学腔反射率的值；具体的，采集500次反射率值，并对该数据组进行处理，得到1531.59nm处的光学腔反射率为0.9982，方差为2×10-5。
通过配气机对乙炔和氮气进行配比，得到已知不同浓度的乙炔气体，将不同浓度的乙炔气体分别通入光学腔9中，由光电探测器二12接收激光光束通过光学腔9之后的透射光束，由数据采集卡10和计算机11采集得到腔增强吸收光谱，图3所示为不同浓度下的腔增强吸收光谱图，利用确定的光学腔反射率，通过透射光谱反演得到待测气体的浓度，图3中从上至下，第1条线为60ppm的值，第2条线为40ppm的值，第3条线为20ppm的值，第4条线为10ppm的值；图4所示为反演气体浓度与配气机配气浓度的对比图，其中，星号表示配气机配气浓度，黑点表示反演得到的待测气体浓度；从图中可看出二者具有很好的一致性，因此，通过误差信号确定光学腔反射率的方法具有高灵敏度以及可行性，基于该光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱气体检测也具有高灵敏度。
待测气体浓度通过如下步骤反演得到：
S31：给出比尔朗伯定理表达式：
其中，I0为初始光强，I为探测光强，P为气体压强，S(T)为气体特征谱线线强度，为线型函数，X为待测气体浓度，L为激光在气体介质中的传播距离，α(ν)为吸收系数；
S32：对公式(3)的两边进行频域积分和变形运算，得到吸光度A的表达式：
S33：根据测定的光学腔反射率得到没有通入待测气体时光学腔9的等效吸收距离：
其中，Leff为空腔等效吸收距离，R为空腔光学腔反射率，d为光学腔腔长；
S34：对腔长为d的光学腔9，单次通光的吸光度为：
As＝PS(T)Xd (24)
S35：带有气体损耗的等效反射率为：
Rt＝R exp(-As) (25)
S36：通入待测气体时，实际的光学腔9的等效吸收距离为：
S37：将光学腔9的实际等效吸收距离代入S32中的公式(4)中，得到：
其中，X为待测气体浓度，求解X值即得到待测气体浓度值。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；
S2：向光学腔(9)中通入待测气体，并得到待测气体的腔增强吸收光谱；
S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S1中所述的检测系统包括沿光路方向依次设置的激光器(1)、电光调制器(2)、三端环形器(4)、准直器(7)、模式匹配透镜组(8)和光学腔(9)；所述三端环形器(4)连接有光电探测器一(5)，电光调制器(2)由函数发生器(3)驱动，所述函数发生器(3)还连接有混频器(6)。
3.根据权利要求2所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S1中的光学腔反射率通过如下步骤获得：
S11：激光器(1)发出的激光光束经电光调制器(2)进行电光相位调制，再经三端环形器(4)入射至准直器(7)中，经准直器(7)准直后的准直光束通过模式匹配透镜组(8)耦合进入光学腔(9)内；
S12、光学腔(9)反射回的光束经过三端环形器(4)并由光电探测器一(5)接收，以此获得反射光束的功率信号，并传送至混频器(6)；
S13、混频器(6)对反射光束的功率信号和函数发生器(3)的本地振荡信号做乘法运算，以此提取反射光的相位信息，并获得误差信号；
S14、根据误差信号得到光学腔反射率。
4.根据权利要求3所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S13中的误差信号由公式(1)表示：
其中，Pc为载波的光功率，Ps为电光调制器(2)引入边带的光功率，Ω为相位调制频率，ω为激光光束频率；
Im()为复数的虚部；
F()函数为光学腔(9)的反射系数，由公式(2)表达：
其中，L为光学腔(9)的长度，c为光速，r为腔镜的振幅反射系数，R为光学腔(9)的等效反射率；F*()为F()函数的共轭。
5.根据权利要求4所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，所述三端环形器(4)包括入射端(41)、出射端(42)和反射端(43)，所述入射端(41)连接电光调制器(2)，所述出射端(42)连接准直器(7)，所述反射端(43)连接光电探测器一(5)；电光调制器(2)调制后的光束经过入射端(41)和出射端(42)入射至准直器(7)中，光学腔(9)反射回的光束经过出射端(42)和反射端(43)并由光电探测器一(5)接收。
6.根据权利要求5所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S1中所述的检测系统还包括数据采集卡(10)和计算机(11)；S14中通过数据采集卡(10)和计算机(11)对误差信号进行归一化处理和最小二乘法拟合，得到光学腔反射率。
7.根据权利要求6所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，所述模式匹配透镜组(8)包括沿光轴方向依次设置的第一模式匹配透镜(81)和第二模式匹配透镜(82)；经准直器(7)准直后的准直光束依次经过第一模式匹配透镜(81)和第二模式匹配透镜(82)两次透射后入射至光学腔(9)内。
8.根据权利要求7所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，所述激光器(1)为外腔半导体激光器，激光器(1)的线宽为5–10kHz，激光器(1)的扫描波长范围为1510–1595nm。
9.根据权利要求8所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，所述准直器(7)为光纤准直器(7)，准直器(7)出射光束的光斑直径≤2.15mm，发散角≤0.054°。
10.根据权利要求4–9中任一项所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S3中的待测气体浓度通过如下步骤反演得到：
S31：给出比尔朗伯定理表达式：
其中，I0为初始光强，I为探测光强，P为气体压强，S(T)为气体特征谱线线强度，为线型函数，X为待测气体浓度，L为激光在气体介质中的传播距离，α(ν)为吸收系数；
S32：对公式(3)的两边进行频域积分和变形运算，得到吸光度A的表达式：
S33：根据测定的光学腔反射率得到没有通入待测气体时光学腔(9)的等效吸收距离：
其中，Leff为空腔等效吸收距离，R为空腔光学腔反射率，d为光学腔腔长；
S34：对腔长为d的光学腔(9)，单次通光的吸光度为：
As＝PS(T)Xd (6)
S35：带有气体损耗的等效反射率为：
Rt＝Rexp(-As) (7)
S36：通入待测气体时，实际的光学腔(9)等效吸收距离为：
S37：将光学腔(9)的实际等效吸收距离代入S32中的公式(4)中，得到：
其中，X为待测气体浓度，求解X值即得到待测气体浓度值。
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| CN202310960674.5A CN116735513A (zh) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | 一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554331A (zh) * | 2023-11-22 | 2024-02-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种免基线标定腔增强吸收光谱装置 |
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