CN117554331A - 一种免基线标定腔增强吸收光谱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光光谱技术领域，具体公开了一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，包括光源模块、光学腔模块及信号采集处理模块，所述光源模块包括可调谐半导体激光器、掺饵光纤放大器及自动功率控制电路；所述掺饵光纤放大器用于放大可调谐半导体激光器发出激光功率；所述自动功率控制电路用于锁定掺饵光纤放大器输出端光功率；通过在免基线标定腔增强吸收光谱装置使用了掺饵光纤放大器增大了激光功率，极大地提高了测量的信噪比和灵敏度；还因使用了自动功率控制电路，稳定了掺饵光纤放大器输出激光功率，消除了腔增强信号的基线倾斜，大大的提高了测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域，具体为一种免基线标定腔增强吸收光谱装置。
背景技术
大气中的温室气体浓度的大幅增加会增强温室效应，进而对自然生态系统及人类造成不利影响，大气中的温室效应气体的存在量极低，然而正是这种微量气体对人类活动的影响极为敏感，因此对温室效应气体的超灵敏监测至关重要。此外超灵敏痕量气体检测为工业安全、医疗诊断、精密制造和科学研究等领域也能提供有效的解决方案和数据支持。
腔增强吸收光谱技术属于激光吸收光谱技术范畴，是一种基于光学腔的高灵敏度吸收光谱技术；腔增强吸收光谱采用可调谐激光器作为光源，利用具有高反射率的镜面构成的光腔，将激光光束在腔内多次来回反射，形成腔内光强的积累效应。当样品引入腔内时，光与样品发生相互作用，部分光被吸收。通过测量光腔内的透射光强度变化，可以推断出样品的吸收特性。腔增强光谱技术具有高灵敏度、高选择性、快速响应和低检测极限的优点。
然而，可调谐半导体激光器输出光功率随输出波长变化的特性会导致采集到的光强信号出现基线倾斜的现象，在后续基线处理过程中的一点微小误差都会极大的降低信号的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，解决以下技术问题：
如何提高测量的准确性及灵敏性是本申请要解决的根本问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，包括光源模块、光学腔模块及信号采集处理模块，所述光源模块包括可调谐半导体激光器、掺饵光纤放大器及自动功率控制电路；
所述掺饵光纤放大器用于放大可调谐半导体激光器发出激光功率；
所述自动功率控制电路用于锁定掺饵光纤放大器输出端光功率。
进一步地，所述信号采集处理模块包括数据采集卡和计算机；
所述光源模块还包括光源控制器；
所述激光控制器的输出端与可调谐半导体激光器的输入端连接，用于控制可调谐半导体激光器的驱动电流和温度；
所述数据采集卡的信号输出端与激光控制器的信号输入端连接，通过数据采集卡输出的电压信号逐点改变激光控制器的驱动电流对所述可调谐半导体激光器的波长进行调谐；
所述可调谐半导体激光器的输出端通过光纤与掺饵光纤放大器的输入端连接，所述掺饵光纤放大器的控制信号输入端与自动功率控制电路的输出端连接，所述自动控制电路的控制信号输入端与计算机的信号输出端连接，通过计算机输出控制信号给自动功率控制电路来控制掺铒光纤放大器的输出，对掺铒光纤放大器的输出功率进行调节和锁定。
进一步地，所述光学腔模块包括温控盒、准直镜、光学腔、聚焦透镜及光电探测器；
所述掺饵光纤放大器输出端通过光纤与准直器连接，所述准直器用于将激光转化为空间光，通过所述聚焦透镜将经过光学腔并透射出的光汇聚到光电探测器后输出到数据采集卡中，并由计算机进行记录和处理。
进一步地，所述装置还包括第一比例阀、第二比例阀及压力阀，所述光学腔内包括金属管及波纹管，所述第一比例阀设置在金属管的进气口上，第二比例阀设置在金属管的出气口，所述波纹管位于光学腔的中间位置，所述压力阀设置波纹管上。
进一步地，所述掺铒光纤放大器的工作波段覆盖激光器的输出光波长范围。
进一步地，所述光学腔为高品质线性光学谐振腔。
进一步地，所述光电探测器为铟镓砷高速光电探测器。
进一步地，所述温控盒采用Pt100进行温控。
进一步地，所述计算机通过LabView程序控制数据采集卡输出电压到激光控制器的输入端。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在免基线标定腔增强吸收光谱装置使用了掺饵光纤放大器增大了激光功率，极大地提高了测量的信噪比和灵敏度；还因使用了自动功率控制电路，稳定了掺饵光纤放大器输出激光功率，消除了腔增强信号的基线倾斜，大大的提高了测量的准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明免基线标定腔增强吸收光谱装置示意图；
图2是本发明扫描驱动电流时激光功率锁定前/后的激光功率；
图3是本发明当地大气压下(694torr)45℃时CH4气体的吸收谱。
10、激光控制器；11、可调谐半导体激光器；12、掺铒光纤放大器；13、自动功率控制电路；
20、温控盒；21、准直器；22、光学腔；23、聚焦透镜；24、光电探测器；25、第一比例阀；26、第二比例阀；27、压力阀；30、数据采集卡；31、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例公开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，包括激光控制器10、可调谐半导体激光器11、掺铒光纤放大器12、自动功率控制电路13、温控盒20、准直镜、光学腔22、聚焦透镜23、光电探测器24、第一比例阀25、第二比例阀26、压力阀27、数据采集卡30、计算机31；
所述可调谐半导体激光器11的输入端与激光控制器10的输出端连接，控制可调谐半导体激光器11的驱动电流和温度，所述数据采集卡30的信号输出端与激光控制器10的信号输入端连接，所述可调谐半导体激光器11的波长调谐通过数据采集卡30输出的电压信号逐点改变激光控制器10的驱动电流实现，所述可调谐半导体激光器11的输出端通过光纤与掺饵光纤放大器光纤输入端连接，所述掺饵光纤放大器的控制信号输入端与自动功率控制电路13输出端连接，所述自动控制电路控制信号输入端与计算机31信号输出端连接，所述掺铒光纤放大器12的输出功率调节和锁定通过计算机31输出控制信号给自动功率控制电路13控制掺铒光纤放大器12的输出实现的，所述掺饵光纤放大器输出端通过光纤与准直器21连接，所述准直器21将激光转化为空间光，所述空间光经过光学腔22，所述光学腔22透射出的光由聚焦透镜23汇聚到光电探测器24后输出到数据采集卡30中，并由计算机31通过Labview程序进行记录和处理。
所述第一比例阀25设置在光学腔22金属管的进气口上，第二比例阀26设置在光学腔22金属管的出气口，所述压力阀27设置光学腔22之间的波纹管上，实现腔内气压的监测。
其中，温控盒20为PT100温控或加热片温控，光学腔22为高品质光学线性谐振腔。
图2所示的是基于本发明的用作腔增强吸收光谱光源的激光光功率信号，图中的倾斜的线是当扫描激光器驱动电流，激光功率会随之增大，我们使用计算机31通过自动功率控制电路13调节掺铒光纤放大器12的输出，使激光功率放大并保持稳定，经过功率放大和锁定后的激光功率如图2中的倾斜的线所示，可以看到扫描驱动电流的过程中，激光功率保持不变，同时相比于可调谐激光器直接输出光，经过掺铒光纤放大器12放大，激光功率在整个扫描过程中都更大，因此使用掺铒光纤放大器12和自动功率控制电路13能有效放大激光功率并使光功率保持锁定。
在实现激光功率放大和锁定的基础上，我们通过测量CH4在1531.58nm处的吸收线(吸收线强度大约为1.2×10-20cm-1/mol·cm-2)，对甲烷的吸收光谱进行了精确测量，我们将4.4ppm左右的甲烷充入光学腔22内，并将压强控制在694torr(与太原本地的大气压一致)，此时采集到的光学腔22透射信号如图3所示，可以看到采样中间位置有个由甲烷吸收引起的幅度凹陷，由于使用了掺铒光纤放大器12和自动功率锁定电路，由激光功率变化造成的基线倾斜被消除了，在没有吸收的位置信号的强度是一样的，进而可以取没有吸收的位置的信号作为基线。
通过对激光波长定标即可得出气体的吸收系数与频率的关系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腔采用佛赫特线型对他进行拟合，由此便可以得出气体的浓度。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，包括光源模块、光学腔(22)模块及信号采集处理模块，其特征在于，所述光源模块包括可调谐半导体激光器(11)、掺饵光纤放大器(12)及自动功率控制电路(13)；
所述掺饵光纤放大器(12)用于放大可调谐半导体激光器(11)发出激光功率；
所述自动功率控制电路(13)用于锁定掺饵光纤放大器(12)输出端光功率。
2.根据权利要求1所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述信号采集处理模块包括数据采集卡(30)和计算机(31)；
所述光源模块还包括光源控制器；
所述激光控制器(10)的输出端与可调谐半导体激光器(11)的输入端连接，用于控制可调谐半导体激光器(11)的驱动电流和温度；
所述数据采集卡(30)的信号输出端与激光控制器(10)的信号输入端连接，通过数据采集卡(30)输出的电压信号逐点改变激光控制器(10)的驱动电流对所述可调谐半导体激光器(11)的波长进行调谐；
所述可调谐半导体激光器(11)的输出端通过光纤与掺饵光纤放大器(12)的输入端连接，所述掺饵光纤放大器(12)的控制信号输入端与自动功率控制电路(13)的输出端连接，所述自动控制电路的控制信号输入端与计算机(31)的信号输出端连接，通过计算机(31)输出控制信号给自动功率控制电路(13)来控制掺铒光纤放大器的输出，对掺铒光纤放大器的输出功率进行调节和锁定。
3.根据权利要求2所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述光学腔(22)模块包括温控盒(20)、准直镜、光学腔(22)、聚焦透镜(23)及光电探测器(24)；
所述掺饵光纤放大器(12)输出端通过光纤与准直器(21)连接，所述准直器(21)用于将激光转化为空间光，通过所述聚焦透镜(23)将经过光学腔(22)并透射出的光汇聚到光电探测器(24)后输出到数据采集卡(30)中，并由计算机(31)进行记录和处理。
4.根据权利要求3所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述装置还包括第一比例阀(25)、第二比例阀(26)及压力阀(27)，所述光学腔(22)内包括金属管及波纹管，所述第一比例阀(25)设置在金属管的进气口上，第二比例阀(26)设置在金属管的出气口，所述波纹管位于光学腔(22)的中间位置，所述压力阀(27)设置波纹管上。
5.根据权利要求1所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述掺铒光纤放大器的工作波段覆盖激光器的输出光波长范围。
6.根据权利要求4所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述光学腔(22)为高品质线性光学谐振腔。
7.根据权利要求3所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述光电探测器(24)为铟镓砷高速光电探测器(24)。
8.根据权利要求3所述的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述温控盒(20)采用Pt100进行温控。
9.根据权利要求2的一种免基线标定腔增强吸收光谱装置，其特征在于，所述计算机(31)通过LabView程序控制数据采集卡(30)输出电压到激光控制器(10)的输入端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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