CN117589715A - 一种基于半导体激光器的nice-ohms系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器的NICE‑OHMS系统。现有的NICE‑OHMS系统激光器价格昂贵、PDH伺服回路复杂、频率捕捉范围较窄，本发明将半导体激光器应用到NICE‑OHMS系统中，且利用光学反馈和反馈相位的主动控制，实现对光学腔的激光锁定，并且本系统的PID伺服回路简单，频率锁定范围更宽。本发明只需要简单的PID伺服回路与价格低廉的激光器就可以探测不同痕量气体，简化实验装置复杂性，提高了系统兼容性，降低了成本，有利于NICE‑OHMS技术产业化。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统。
背景技术
随着科学技术的发展，痕量气体检测技术已经在我们的生活中的各个方面得到了应用，例如，矿井下气体检测、芯片制造业、环境检测等多个领域有广泛的应用。比起传统的气体检测技术，吸收光谱技术具有无接触、高灵敏、可实现实时监测的优势。噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)技术是世界上最灵敏的技术，NICE-OHMS技术结合了频率调制光谱(FMS)技术和腔增强光谱(CEAS)技术，分别用于抑制噪声以及增强气体吸收信号。在现有的NICE-OHMS系统中，为了实现激光器到高精度光学腔的锁定，需要超窄线宽的激光器，其线宽约为10KHz，利用PDH技术和DVB技术实现频率锁定。
现有的NICE-OHMS系统激光器价格昂贵，尝试使用价格便宜的半导体激光器来降低价格，但是这种半导体激光器的线宽很宽约为MHz，这种量级的线宽耦合效率极低，因而如何使半导体激光器也能有很高的耦合效率成为亟需解决的问题。此外传统NICE-OHMS系统的PDH伺服回路复杂、频率捕捉范围较窄，因而如何降低伺服回路的复杂性，实现半导体激光器频率与腔的紧密结合，以及提供广泛的频率捕捉范围，也成为NICE-OHMS系统产业化的难以解决的问题，因此本发明提供一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，大大降低了NICE-OHMS系统的成本，其设计对于将该系统产业化具有重要的意义。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明提出了一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，包括激光控制器、DFB激光器、精密位移台、准直器、精密位移台、1/2波片、PBS、反射镜、第一PZT、匹配透镜、1/4波片、光学腔、第一PID伺服回路、第二射频信号源、第二移相器、第四混频器、第三低通滤波器、第二光电探测器；
所述激光控制器驱动DFB激光器发出出射光，依次经过电光调制器、准直器、1/2波片、PBS、反射镜、匹配透镜、1/4波片到达光学腔，所述光学腔的反射光原路返回至PBS后产生两束光，一束进入第二光电探测器，另一束经过1/2波片、准直器、电光调制器，最后回到DFB激光器，所述准直器设置在精密位移台上，用于粗调激光输出面和光学腔前镜之间的距离；
第二射频信号源发出的射频信号一路进入电光调制器，一路经过第二移相器进入第四混频器，第二光电探测器探测到的反射信号也进入第四混频器，经过第四混频器得到拍频信号，拍频信号经过第三低通滤波器，到达第一PID伺服回路，进而控制第一PZT，所述第一PZT设置在反射镜上。
进一步地，第一PID伺服回路输出反馈信号控制第一PZT，用于精细调节激光输出面和光学腔的腔前镜之间的距离来控制反馈相位，使得经过PBS的另一束反射光(是反射回DFB激光器的光)相位和DFB激光器发出的出射光相位的相位差为2π整数倍，实现DFB激光器频率到光学腔的锁定。
进一步地，系统还包括：第二低通滤波器、第一射频信号源、第二混频器、第二PID伺服回路、带通滤波器、第三移相器、第三混频器；
第一射频信号源发出的射频信号一路进入电光调制器，一路进入第二混频器，第二射频信号源发出的射频信号也进入第二混频器，经过第二混频器后产生拍频信号，拍频信号经过带通滤波器、第三移相器进入第三混频器，第二光电探测器探测到的反射信号也进入第三混频器，经过第三混频器产生拍频信号，拍频信号经过第二低通滤波器、第二PID伺服回路输出反馈信号，该反馈信号返回到第一射频信号源实现DVB锁定。
进一步地，系统还包括：第二PZT、第一光电探测器、第一混频器、第一低通滤波器、第一移相器、fm-NICE-OHMS信号；
所述光学腔的透射光经过光学腔的透射镜，被第一光电探测器探测，所述第二PZT设置在光学腔的透射镜上，所述第一光电探测器探测的透射信号也进入第一混频器，所述第一射频信号源发出的射频信号一路经过第一移相器进入第一混频器，在第一混频器中得到拍频信号，再经过第一低通滤波器输出fm-NICE-OHMS信号，即为系统的探测信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)现有的NICE-OHMS系统需要窄线宽的激光器，如掺铒光纤激光器、回音壁激光器等，这些激光器售价在10万以上，而本发明设计的系统采用的激光器为DFB激光器，其售价为数千元，大大的降低NICE-OHMS系统的成本，有利于NICE-OHMS技术产业化。
(2)传统PDH锁定的锁定范围受到腔模线宽的限制，其锁定范围通常为kHz级别，而本发明采用光学反馈技术可获得数百MHz的锁定范围，因此本发明的系统具有更坚固的锁定机构，系统兼容性也更高。
(3)传统PDH锁定需要根据激光器的传递函数设计PID伺服回路，而本发明的PID伺服回路设计为低带宽的伺服系统来补偿反馈相位，简化了实验装置复杂性。
附图说明
图1为本发明一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统的结构示意图；
其中，1-激光控制器、2-DFB激光器、3-电光调制器、4-准直器、5-精密位移台、6-1/2波片、7-PBS、8-反射镜、9-第一PZT、10-匹配透镜、11-1/4波片、12-光学腔、13-第二PZT、14-第一光电探测器、15-第一混频器、16-第一低通滤波器、17-第二低通滤波器、18-第一移相器、19-fm-NICE-OHMS信号、20-第一PID伺服回路、21-第一射频信号源、22-第二混频器、23-第二射频信号源、24-第二PID伺服回路、25-第二移相器、26-带通滤波器、27-第三移相器、28-第三混频器、29-第四混频器、30-第三低通滤波器、31-第二光电探测器；
图2为采用本系统探测乙炔气体的吸收线得到的亚多普勒信号图；
图3为传统PDH锁定的误差信号；
图4为光学反馈作用下的激光频率、腔模式和腔传输。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
如图1所示，本实施例提出的一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，系统包括：激光控制器1、DFB激光器2、电光调制器3、准直器4、精密位移台5、1/2波片6、PBS7、反射镜8、第一PZT9、匹配透镜10、1/4波片11、光学腔12、第一PID伺服回路20、第二射频信号源23、第二移相器25、第四混频器29、第三低通滤波器30、第二光电探测器31、第二低通滤波器17、第一射频信号源21、第二混频器22、第二PID伺服回路24、带通滤波器26、第三移相器27、第三混频器28、第二PZT13、第一光电探测器14、第一混频器15、第一低通滤波器16、第一移相器18、fm-NICE-OHMS信号19；
激光控制器1驱动DFB激光器2发出出射光，依次经过电光调制器3、准直器4、光电转化器5、1/2波片6、PBS7、反射镜8、匹配透镜10、1/4波片11到达光学腔12；所述光学腔12会产生一束反射光，反射光再原路返回PBS7后产生两束光，一束进入第二光电探测器31，另一束经过1/2波片6、光电转化器5、准直器4、电光调制器3，最后回到DFB激光器2，所述准直器4设置在精密位移台5上，用于粗调激光输出面和光学腔12前镜之间的距离；
第二射频信号源23发出的射频信号一路进入电光调制器3，一路经过第二移相器25进入第四混频器29，第二光电探测器31探测到的反射信号也进入第四混频器29，经过第四混频器29得到拍频信号，拍频信号经过第三低通滤波器30，到达第一PID伺服回路20，进而控制第一PZT9。
所述第一PID伺服回路20输出反馈信号控制第一PZT9，用于精细调节激光输出面和光学腔12的腔前镜之间的距离来控制反馈相位，得经过PBS7的另一束反射光相位和DFB激光器2发出的出射光相位的相位差为2π整数倍，实现DFB激光器2频率到光学腔12的锁定。
第一射频信号源21发出的射频信号一路进入电光调制器3，一路进入第二混频器22，第二射频信号源23发出的射频信号也进入第二混频器22，经过第二混频器22后产生拍频信号，拍频信号经过带通滤波器26、第三移相器27进入第三混频器28，第二光电探测器31探测到的反射信号也进入第三混频器28，经过第三混频器28产生拍频信号，拍频信号经过第二低通滤波器17、第二PID伺服回路24输出反馈信号，该反馈信号返回到第一射频信号源21实现DVB锁定。
所述光学腔12的透射光经过光学腔12的透射镜，被第一光电探测器14探测，所述第二PZT13设置在光学腔12的透射镜上，所述第一光电探测器14探测的透射信号也进入第一混频器15，所述第一射频信号源21发出的射频信号一路经过第一移相器18进入第一混频器15，在第一混频器15中得到拍频信号，再经过第一低通滤波器16输出fm-NICE-OHMS信号19，即为系统的探测信号。
如图2所示，采用本实施例的系统探测乙炔气体的吸收线得到的亚多普勒信号。实验说明，本发明提出的一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统可以利用价格低廉的DFB激光器和简单的伺服回路进行高精度亚多普勒光谱测量，具有较好的实用性。
传统的PDH锁定情况下的误差信号如图3所示，x轴表示激光频率与腔模式谐振频率的偏差。只有当激光频率接近腔模时，误差信号才表现奇对称的线型。捕获范围在图中用两条虚线表示，虚线间隔值为2ΓC，ΓC表示光学腔模式的线宽。对于高精细度的光学腔，ΓC通常在千赫的数量级上，因此，PDH锁定的捕获范围限制在kHz级别。
与传统的PDH技术相比，本发明首次利用光学反馈和反馈相位的主动控制，实现NICE-OHMS系统中对光学腔的激光锁定，这种锁定的捕获范围不受光学腔模式线宽的限制。在图4中(a)可以看出，激光频率会自发锁定在腔模式上，并在一定范围内保持恒定，在图4中(b)也可以通过观察腔传输曲线的展宽来验证。本系统的捕获范围可以等于腔内自由光谱区，通常可以达到数百MHz。所以本系统相比于传统的PDH锁定具有更宽的频率锁定范围，可以提供更坚固的锁定机构。同时，由于本系统使用光学反馈进行激光频率的锁定，即使使用价格低廉的半导体激光器，也只需要简单的PID伺服回路控制反馈相位就可以用于探测不同痕量气体，本发明设计的系统装置简单，系统的兼容性更高，且成本大大降低，有利于NICE-OHMS技术产业化。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，其特征在于，包括激光控制器(1)、DFB激光器(2)、电光调制器(3)、准直器(4)、精密位移台(5)、1/2波片(6)、PBS(7)、反射镜(8)、第一PZT(9)、匹配透镜(10)、1/4波片(11)、光学腔(12)、第一PID伺服回路(20)、第二射频信号源(23)、第二移相器(25)、第四混频器(29)、第三低通滤波器(30)、第二光电探测器(31)；
所述激光控制器(1)驱动DFB激光器(2)发出出射光，依次经过电光调制器(3)、准直器(4)、1/2波片(6)、PBS(7)、反射镜(8)、匹配透镜(10)、1/4波片(11)到达光学腔(12)，所述光学腔(12)的反射光原路返回至PBS(7)后产生两束光，一束进入第二光电探测器(31)，另一束经过1/2波片(6)、准直器(4)、电光调制器(3)，最后回到DFB激光器(2)，所述准直器(4)设置在精密位移台(5)上，用于粗调激光输出面和光学腔(12)前镜之间的距离；
所述第二射频信号源(23)发出的射频信号一路进入电光调制器(3)，一路经过第二移相器(25)进入第四混频器(29)，所述第二光电探测器(31)探测到的反射信号也进入第四混频器(29)，经过第四混频器(29)得到拍频信号，拍频信号经过第三低通滤波器(30)，到达第一PID伺服回路(20)，进而控制第一PZT(9)，所述第一PZT(9)设置在反射镜(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，其特征在于，所述第一PID伺服回路(20)输出反馈信号控制第一PZT(9)，用于精细调节激光输出面和光学腔(12)的腔前镜之间的距离来控制反馈相位，使得经过PBS(7)的另一束反射光相位和DFB激光器(2)发出的出射光相位的相位差为2π整数倍，实现DFB激光器(2)频率到光学腔(12)的锁定。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，其特征在于，还包括第二低通滤波器(17)、第一射频信号源(21)、第二混频器(22)、第二PID伺服回路(24)、带通滤波器(26)、第三移相器(27)、第三混频器(28)；
所述第一射频信号源(21)发出的射频信号一路进入电光调制器(3)，一路进入第二混频器(22)，第二射频信号源(23)发出的射频信号也进入第二混频器(22)，经过第二混频器(22)后产生拍频信号，拍频信号经过带通滤波器(26)、第三移相器(27)进入第三混频器(28)，所述第二光电探测器(31)探测到的反射信号也进入第三混频器(28)，经过第三混频器(28)产生拍频信号，拍频信号经过第二低通滤波器(17)、第二PID伺服回路(24)输出反馈信号，该反馈信号返回到第一射频信号源(21)实现DVB锁定。
4.根据权利要求3所述的一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统，其特征在于，还包括第二PZT(13)、第一光电探测器(14)、第一混频器(15)、第一低通滤波器(16)、第一移相器(18)、fm-NICE-OHMS信号(19)；
所述光学腔(12)的透射光经过光学腔(12)的透射镜，被第一光电探测器(14)探测，所述第二PZT(13)设置在光学腔(12)的透射镜上，所述第一光电探测器(14)探测的透射信号也进入第一混频器(15)，所述第一射频信号源(21)发出的射频信号一路经过第一移相器(18)进入第一混频器(15)，在第一混频器(15)中得到拍频信号，再经过第一低通滤波器(16)输出fm-NICE-OHMS信号(19)，即为系统的探测信号。
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