CN117990612A - 一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法及系统，属于光学反馈技术领域。本发明方法包括：基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；对激光器与F‑P腔的腔膜大小进行匹配；以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F‑P腔，将经过F‑P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。本发明提升了检测的抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及光学反馈技术领域，并且更具体地，涉及一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法及系统。
背景技术
光声光谱技术是近年来发展迅速的一种激光吸收光谱技术，该技术通过探测痕量气体吸收特定波长激光能量后释放出的声波信号，获得待测气体在特征吸收波长范围内的光谱，从而完成对待测气体成分及浓度的探测。光声光谱技术是一种零背景(无特定吸收时没有信号输出)、无波长选择性(适用于从紫外到太赫兹的所有光谱波段的光源)且线性响应范围宽(对待测气体浓度拥有至少三个数量级的线性响应)的激光吸收光谱技术。受益于近年来激光技术以及弱信号检测技术的快速发展，光声光谱技术已成为实现痕量气体实时检测的有效方法。
石英增强光声光谱技术是基于光声光谱技术并以石英音叉作为声学传感器的痕量气体检测技术。与传统光声光谱技术中光声能量在声学谐振腔内实现累积放大不同，石英增强光声光谱技术中的光声能量主要累积在由石英音叉与一维声学腔耦合构成的测声模块内。由于石英音叉具有很高的品质因数(常压下可达到9000)，因此由石英音叉构成的测声模块对微弱的光声信号具有很好的放大作用，从而使该技术获得了高的探测灵敏度。此外，石英增强光声光谱技术还具有体积小、成本低、操作简单、对环境噪声免疫等优点。但石英增强光声光谱技术对使用的激光频率具有较高的要求，需要保持激光频率的稳定性。如果激光频率不稳定，会导致光声信号的频率漂移，影响分析结果的准确性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，包括：
基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
可选的，方法还包括：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
可选的，激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
可选的，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
可选的，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
可选的，F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
可选的，石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
可选的，方法还包括：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
可选的，函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
再一方面，本发明还提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测系统，包括：
第一信号传输单元，用于基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
第二信号传输单元，用于基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
第三信号传输单元，用于将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
检测单元，用于将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
可选的，第三信号传输单元还用于：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
可选的，激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
可选的，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
可选的，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
可选的，F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
可选的，石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
可选的，第三信号传输单元还用于：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
可选的，函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；
处理器，用于执行一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。
再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，包括：基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。本发明提升了检测的抗干扰性。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法的检测平台图；
图3为本发明系统的结构图；
其中，1为驱动器、2为QCL激光器、3为分光镜、4为反射镜、5为反射镜、6为压电位移平台、7为反射镜、8为第一模式匹配透镜、9为第二模式匹配透镜、10为第三模式匹配透镜、11为二分之一波片、12为偏振片、13为反射镜、14为CaF2窗口镜、15为光阱、16为高反镜、17为高反镜、18为F-P腔、19为谐振管、20为谐振管、21为石英音叉、22为光电探测器、23为锁相放大器、24为PID模块、25为函数发生器、26为PID模块和27为高压放大器。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
实施例1：
本发明提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，如图1所示，包括：
步骤1、基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
步骤2、基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
步骤3、将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
步骤4、将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
其中，方法还包括：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
其中，激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
其中，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
其中，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
其中，F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
其中，石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
其中，方法还包括：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
其中，函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
本发明方法基于检测平台实现，检测平台如图2所示，检测流程包括：
1)驱动器(1)用于驱动激光器(2)产生激光，函数发生器(25)产生锯齿波信号调制驱动器(1)电流信号。激光透过分光镜(3)至反射镜(4)和反射镜(5)，反射镜(4)和反射镜(5)置于压电位移平台(6)上，用于控制光学反馈的相位。经反射镜(5)折射的激光经过反射镜(7)折射进入第一模式匹配透镜(8)、第二模式匹配透镜(9)和第三模式匹配透镜(10)，模式匹配透镜用于匹配激光器(2)和F-P腔(18)的腔膜大小。
2)经过第三模式匹配透镜(10)的激光传输至二分之一波片(11)和偏振片(12)，二分之一波片(11)和偏振片(12)用于控制光学反馈的反馈率，以便建立稳定的光学反馈。
3)经过偏振片(12)的激光传输至反射镜(13)，折射后的光束经CaF2窗口镜(14)折射进入F-P腔(18)，F-P腔(18)由高反镜(16)和高反镜(17)组成，激光在F-P腔(18)内谐振，增强腔内激光。另一部分光束透过CaF2窗口镜(14)到达光阱(15)，光阱(15)用于阻挡激光传播，保证实验安全。
4)谐振管(19)和谐振管(20)置于石英音叉(21)两侧，使激光从谐振管(19)和谐振管(20)以及石英音叉(21)叉臂中间穿过。待测气体与激光相互作用产生光声效应，石英音叉(21)通过自身的压电效应将声波能量转化而来的机械能转变为电能，置于两侧的谐振管(19)和谐振管(20)用于增强光声信号。
5)部分激光沿原光路返回至分光镜(3)，一部分光折射至光电探测器(22)，将光信号转换为电信号，输出至锁相放大器(23)，石英音叉(21)输出的电信号输入至锁相放大器(23)，函数发生器(25)另一路信号输出至锁相放大器(23)，用于解调电信号产生误差信号。另一部分光透光分光镜(3)返回至激光器(2)，建立光学反馈效应。
6)锁相放大器(23)一次谐波误差信号输入PID模块(24)，产生光学反馈驱动电流调节信号，与函数发生器(25)调制信号相叠加，共同作用于驱动器(1)，调节驱动电流。锁相放大器(23)三次谐波误差信号输入PID模块(26)，产生光学反馈相位调节信号，作用于高压放大器(27)，经高压放大器(27)的信号输出至压电位移平台(6)。两路反馈调节信号共同维持光学反馈效应，使F-P腔(18)中激光功率稳定。
所述QCL激光器(2)波长为4.59μm，功率为45mW。
所示反射镜反射镜(4)和反射镜(5)被安装在压电位移平台(6)上，用于微调返回激光器(2)的激光相位。
所述第一模式匹配透镜(8)、第二模式匹配透镜(9)和第三模式匹配透镜(10)的焦距分别为200mm、-200mm和150mm，用于与F-P腔(18)的谐振模式进行模式匹配。
所述CaF2窗口镜(14)与F-P腔(18)光轴之间的角度大小为54.5°，接近布儒斯特角的大小。
所述F-P腔(18)由反射率为99.92％的高反镜(16)和高反镜(17)组成，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，与之相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
所述石英音叉(21)的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，谐振管(19)和谐振管(20)长度为12.4mm，内径为1.5mm，谐振管(19)和谐振管(20)沿光路对称置于石英音叉(21)两侧，谐振管(19)和谐振管(20)与石英音叉叉臂外侧保持微小的间距，与裸石英音叉相比，增强因子可达60。进一步，所述锁相放大器(23)对石英音叉(21)输出的光声信号和光电探测器(22)输出的腔膜信号进行解调，一次谐波信号用于调节QCL激光器(2)电流，三次谐波信号用于调节压电位移平台(6)移动，使激光器输出频率被锁定到F-P腔(18)共振频率处，提高激光对腔的耦合效率，提升腔膜峰值的稳定性。
所述函数发生器(25)的输出频率为15.82kHz，与石英音叉(21)的固有频率一致。
具体的，1)驱动器(1)驱动激光器(2)产生激光，经分光镜(3)、反射镜(4)、反射镜(5)、压电位移平台(6)、反射镜(7)、第一模式匹配透镜(8)、第二模式匹配透镜(9)、第三模式匹配透镜(10)、二分之一波片(11)、偏振片(12)、反射镜(13)和CaF2窗口镜(14)入射F-P腔(18)；
2)激光经CaF2窗口镜(14)反射后在F-P腔(18)内谐振，形成稳定的腔膜信号；
3)待测气体在F-P腔(18)内产生声波，经石英音叉(21)转换为电信号；
4)石英音叉(21)输出的光声信号和光电探测器(22)输出的腔膜信号被送入锁相放大器(23)，与函数发生器(25)输出的调制信号进行解调；
5)经锁相放大器(23)解调得到的一次谐波信号送入PID模块(24)，PID模块(24)进行比例、积分和微分转化为调节信号，PID模块(24)调节信号接入驱动器(1)，反馈调节QCL激光器(2)驱动电流；
6)经锁相放大器(23)解调得到的三次谐波信号送入PID模块(26)，PID模块(26)进行比例、积分和微分转化为调节信号，PID模块(26)调节信号接入高压放大器(27)，用于控制压电位移平台(6)移动，使QCL激光器(2)到CaF2窗口镜(14)的距离为F-P腔(18)腔长的整数倍。
所述F-P腔(18)内的激光功率可以表示为：
其中，P0为入射光强，RB为CaF2窗口镜(14)的反射率，RM为高反镜(16)和高反镜(17)的反射率，α为吸收系数，L为F-P腔(18)的长度。
本发明压窄了激光器的线宽，抑制了激光器的输出频率噪声，降低了光声信号的频率漂移，提升了光声光谱检测结果的准确性；
本发明使用了T型结构的石英音叉，增强了光声信号；
本发明使用锁相放大器的一次和三次谐波信号作为调节信号，分别作用于激光器和压电位移平台，提升了系统的抗干扰性能。
实施例2：
本发明还提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测系统200，如图3所示，包括：
第一信号传输单元201，用于基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
第二信号传输单元202，用于基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
第三信号传输单元203，用于将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
检测单元204，用于将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
其中，第三信号传输单元203还用于：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
其中，激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
其中，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
其中，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
其中，F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
其中，石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
其中，第三信号传输单元203还用于：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
其中，函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
本发明提升了检测的抗干扰性。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中方法的步骤。
实施例4：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (20)
1.一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括：
基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
10.一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：
第一信号传输单元，用于基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；
第二信号传输单元，用于基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与F-P腔的腔膜大小进行匹配；
第三信号传输单元，用于将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；
检测单元，用于将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经CaF2窗口镜折射进入与激光器匹配的F-P腔，将经过F-P腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第三信号传输单元还用于：将经过F-P腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述激光器波长为4.59μm，功率为45mW。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述F-P腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125kHz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500MHz，体积为1.7L。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述石英音叉的叉臂呈T型，固有频率为15.82kHz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第三信号传输单元还用于：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。
18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述函数发生器的输出频率为15.82kHz，与石英音叉的固有频率一致。
19.一种计算机设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
处理器，用于执行一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1-9中任一所述的方法。
20.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1-9中任一所述的方法。
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