CN203502343U - 一种频域腔衰荡光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种频域腔衰荡光谱探测装置。包括光源、光路系统和数据处理系统；光路系统包括依次连接的导入光纤准直器、第一反射镜、第二反射镜、导出光纤准直器；数据处理系统包括依次连接的导出光纤、光电探测电路、数据处理电路；用于发射光波信号的光源通过导入光纤将光波信号导入导入光纤准直器。本实用新型提供了一种利用低速波长调制实现了高频的谐波探测、自动消除多种缓变干扰、自动消除谐振腔精细度下降造成的干扰的频域腔衰荡光谱探测装置。

Description

一种频域腔衰荡光谱探测装置

技术领域

本实用新型属于光谱探测和光纤传感技术领域，涉及一种光谱探测装置，尤其涉及一种频域腔衰荡光谱探测装置。

背景技术

在各种超高灵敏度的光谱探测技术中，基于无源谐振腔增强的技术是重要的一类。这一类方法的共同特征是：将待测样品置于谐振腔内，利用谐振腔对光波的多次反射来增加光与物质作用的距离，从而增加光谱信号的幅度。

基于谐振腔增强的光谱探测技术可以分为以下几类：①传统腔衰荡光谱，其中包括脉冲光源和连续光源两种工作方式；②积分腔输出光谱；③腔增强吸收光谱；④频率调制光源腔衰荡光谱；⑤光频梳腔衰荡光谱等。

在先技术之一，将一个光脉冲导入谐振腔，这个脉冲会在谐振腔两个端面之间多次反射，每次反射的输出功率都会比上一次降低。这个脉冲序列随时间按指数规律变化，其中衰减的时间常数可以反映出腔内待测样品的光谱吸收。这种方法的缺点是，脉冲穿过两个高反射率镜面之后，只剩余很小一部分能够到达光电探测装置，增加了光电探测的困难。而且，为了探测极短的脉冲并从中提取出衰减常数，需要极高速的数字电路。

在先技术之二，将窄线宽的连续光波导入谐振腔，当满足驻波条件后迅速切断光源，然后探测输出光功率的衰减曲线。这种方法实际上是探测谐振腔的腔内光子寿命，通过腔内光子寿命可以计算出待测样品的光谱吸收。这种技术被称为连续波腔衰荡光谱，可以达到很高的测量灵敏度，但是由于存在着光源纵模和谐振腔纵模之间失配的问题，需要价格昂贵的声光调制器和高精度的稳频技术或者复杂的光源注入锁定技术。

在先技术之三，将波长调制的光波注入谐振腔，同时用压电陶瓷调制谐振腔的腔长，确保谐振腔纵模与光源纵模同步变化错误！未找到引用源。。这种方法是结合波长调制光谱和谐振腔增强光谱的一种常见手段。（波长调制光谱是一种广泛应用的高灵敏度光谱探测技术，可以很有效地进一步提高灵敏度，更重要的是，可以消除掉很多缓变干扰。）这种技术的缺点在于，压电陶瓷所能提供的调制频率很低，限制了波长调制的频率，因而限制了波长调制光谱性能的发挥。另外，腔长可调的谐振腔也是价格昂贵的。

在先技术之四，将波长扫描的连续光源注入谐振腔，通过计算腔衰荡过程的时间积分反演腔内光谱吸收。这种方法可以使用波长扫描的连续光源，单是不能与波长调制光谱相结合，而且测量灵敏度也不高。

在先技术之五，将波长扫描的光波注入谐振腔，然后将多次波长扫描的信号做平均处理。这种方法被称作谐振腔增强光谱，虽然可以和波长调制光谱相结合，但是这种方法响应速度慢，灵敏度也不高，只能算是低成本、低性能的方法。

在先技术之六，用极高的频率调制光源波长，使光波的主频和各个边频恰好都能穿过谐振腔的各个纵模。这种方式达到了非常高的灵敏度，在所有谐振腔光谱方法中是最高的。缺点在于高频调制本身就是昂贵复杂的，而且还是存在光源与谐振腔之间纵模失配的问题。

在先技术之七，用一个锁模激光器作为光源，使锁模所产生的光频梳的每一个频率成分都可以穿过谐振腔的一个纵模。这种方法解决了传统的脉冲光源腔衰荡功率过低的问题，但是锁模激光器本身并不便宜，而且也存在光源与谐振腔之间模式匹配的问题。

实用新型内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本实用新型提出了一种频域腔衰荡光谱探测装置。本实用新型可以应用于实验室的光谱测定和标准具的精细常数测定，以及现场应用的物质浓度传感、应变及应力传感、温度传感等。

本实用新型的技术方案是：

一种频域腔衰荡光谱探测装置，其特殊之处在于：包括光源、光路系统和数据处理系统；

上述光路系统包括依次连接的导入光纤准直器、第一反射镜、第二反射镜、导出光纤准直器；

上述数据处理系统包括依次连接的导出光纤、光电探测电路、数据处理电路；

上述用于发射光波信号的光源通过导入光纤将光波信号导入导入光纤准直器；

上述数据处理系统通过导出光纤接收光路系统的光波信号；

上述导出光纤与导出光纤准直器相互连接。

上述光源发射的光波信号为经过波长线性扫描的光波信号。

本实用新型的优点是：

1.本实用新型利用低速波长调制实现了高频的谐波探测。由于在波长扫描的范围内存在着很多个谐振腔纵模，所以输出脉冲信号的频率相当于扫描频率的很多倍。一般来说高频谐波探测具有信噪比方面的优势，而低速波长调制比较容易实现；

2.本实用新型利用低廉的成本实现了谐振腔增强光谱与波长调制光谱的完美结合。在先技术中，试图结合这两种方法的努力都罹患各种缺点，比如低灵敏度、高价格、不适合现场应用、操作复杂等；

3.本实用新型所提出的方法能够自动消除多种缓变干扰。由于结合了波长调制光谱，可以消除光路耦合效率下降、光源平均功率波动、探测电路转换效率下降等背景干扰的影响。

4.本实用新型提出的方法能够自动消除谐振腔精细度下降造成的干扰，而这种问题一直困扰着常规的基于谐振腔的光谱探测技术。由于结合了波长调制光谱，谐振腔精细度下降产生的干扰与光谱吸收产生的信号之间是一个相乘的关系，可以通过取对数或者计算各次谐波之间的比值来消除。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型波长按照锯齿波形式扫描的光源穿过谐振腔之后的输出示意图；

图3a是本实用新型中谐振腔输出的光功率信号示意图；

图3b是本实用新型中谐振腔输出的光功率信号频谱图；

图4是本实用新型实施例1采用环形光纤谐振腔实现气体传感示意图；

图5是本实用新型实施例2采用直线型光纤谐振腔实现应变传感示意图；

图6是本实用新型实施例3采用波导环形谐振腔实现温度传感示意图；

其中，1-光源、2-导入光纤、3-导入光纤准直器、4-第一反射镜、5-待测样品、6-第二反射镜、7-装置外壳、8-导出光纤准直器、9-导出光纤、10-光电探测电路、11-数据处理电路。

具体实施方式

参见图1-5，一种频域腔衰荡光谱探测装置，其特殊之处在于：包括光源、光路系统和数据处理系统；

上述光路系统包括依次连接的导入光纤准直器、第一反射镜、第二反射镜、导出光纤准直器；

上述数据处理系统包括依次连接的导出光纤、光电探测电路、数据处理电路；

上述用于发射光波信号的光源通过导入光纤将光波信号导入导入光纤准直器；

上述数据处理系统通过导出光纤接收光路系统的光波信号；

上述导出光纤与导出光纤准直器相互连接。

上述光源发射的光波信号为经过波长线性扫描的光波信号。

光谱探测具体步骤如下：

1】光源发出光波信号导入光路系统；

1.1]光源发出光波信号经过导入光纤，到达导入光纤准直器；

1.2]光波信号通过导入光纤准直器进入光路系统；

2】光波信号在光路系统中反射；

2.1]光波信号通过导入光纤准直器射出，穿过第一反射镜，再穿过待测样品并且被待测样品吸收，到达第二反射镜；

2.2]第二反射镜输出一部分光波，同时将大部分光波反射，被第二反射镜反射的光波穿过待测样品并被吸收，到达第一反射镜；第一反射镜泄漏掉一部分光波，将大部分光波反射穿过待测样品，到达第二反射镜；

2.2]多次重复步骤2.1]、步骤2.2]，最后穿过第二反射镜的输出信号是经过多次反射互相干涉叠加的光波信号；

3】光波信号通过光路系统进入数据处理系统；

3.1]光波信号再经过导出光纤准直器、导出光纤到达光电探测电路，被转变为电信号；

3.2]电信号通过数据处理电路做傅里叶变换得到电信号频谱；

4】将频谱中各次谐波信号的顶端连接起来得到一条曲线；通过以下公式（1）、（2）可以得到曲线：

$a\left(f\right)\∞\exp [-\frac{f}{{\mathrm{\τ}}_f}]---\left(1\right)$

${\mathrm{\τ}}_f=\frac{L}{C(\mathrm{\αL}-\ln R)}2\stackrel{\·}{v}---\left(2\right)$

所述n是傅里叶系数的阶数；

所述R是谐振腔端面反射镜的功率反射率；

所述L是谐振腔的长度。

所述τ_f是频谱的衰减常数；

所述f是信号的频率；

5】得到待测样品的光谱吸收值；

通过公式（3）可以从衰减常数τ_f中反演出待测物质的光谱吸收α；公式（3）如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}[\frac{2L\stackrel{\·}{v}}{{\mathrm{C\τ}}_f}+\ln R]---\left(3\right)$

所述C是光速；

所述α是腔内待测样品的光谱吸收值。

参见图2，由于光源1的波长是线性扫描的，如λ0t面中的锯齿线所示。若某时刻，光源波长正好对准透射谱中的通带，输出的光功率就高；若没有对准通带，输出的光功率就会很低。因此，线性扫描的光波穿过谐振腔之后，其功率随时间的变化也会成为梳状的。

从反射镜6输出的光信号是按照梳状函数形式进行功率调制的光波，这个光信号再经过导出光纤准直器8、导出光纤9到达光电探测电路10，被转变为电信号；

由于光信号是按照梳状函数幅度调制的，光电探测器10的输出也是梳状函数，如图3a所示；数据处理电路11对这个梳状的信号做傅里叶变换或者类似算法得到其频谱，如图3b所示。

将频谱中各次谐波信号的顶端连接起来得到一条曲线，如图3（b）中虚线。根据理论分析可知该曲线的表达式为：

$a\left(f\right)\∞\exp [-\frac{f}{{\mathrm{\τ}}_f}]---\left(1\right)$

其中，τ_f是频谱的衰减常数，f是信号的频率。有关系：

${\mathrm{\τ}}_f=\frac{L}{C(\mathrm{\αL}-\ln R)}2\stackrel{\·}{v}---\left(2\right)$

其中C是光速、

是光频率对时间的导数，也就是波长扫描速度、α是腔内待测样品的光谱吸收。

利用公式（2）可以很容易从衰减常数τ_f中反演出待测样品的光谱吸收α。即

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}[\frac{2L\stackrel{\·}{v}}{{\mathrm{C\τ}}_f}+\ln R]---\left(3\right)$

实施例1如图4所示，线性波长扫描的激光光源1发出的光波经过导入光纤2进入高分光比的光纤耦合器3的一条臂，然后进入敏感光纤4。敏感光纤4的作用是令光波与环境中的待测样品相接触，因而一部分的光能量会被物质的光谱所吸收。敏感光纤4可以有很多种形式，比如D形光纤、光子晶体光纤、长周期光纤光栅、锥形光纤等，图中画出了D形光纤的横截面用作示例。经过敏感光纤的光波进入光纤耦合器5的一条光臂，其中一小部分光能量输出到导出光纤7，大部分光能量被分配到光纤6。光纤6中的光波再次经过耦合器3，敏感光纤4，回到耦合器5，形成一个环路。系统稳定的输出就是这个环路中的光波多次叠加的结果。耦合器3、耦合器5、敏感光纤4、光纤6共同构成了光纤环形谐振腔。谐振腔输出的光波进入光电探测电路8，最终由数据处理电路9处理得到待测气体物质的浓度。

实施例2如图5所示。光纤连接器3和光纤连接器8中各自插入有高反射膜，作为谐振腔的端面反射镜。连接器3、8和光纤4共同构成了直线型光纤谐振腔。线性波长扫描的激光光源1发出的光波经过导入光纤2，再通过光纤连接器3进入谐振腔，经过光纤4从光纤连接器8输出。再经过导出光纤9，光电探测电路10，最后到达数据处理电路11。光纤谐振腔的腔体4被固定装置5和7固定在在待测工件6上。当工件6产生应变，光纤4也会随之被拉伸，谐振腔的腔长变大，导致衰减常数τ_f改变。通过测量τ_f的变化，可以感知到待测工件的应变量。

实施例3如图6所示。波导环形谐振腔是在基板9上制作了输入直线波导3、输出直线波导5和环形波导4。直线波导3和环形波导4之间的距离很小，会导致一部分光能量被转移到环形波导；同理环形波导4的一部分能量也会被转移到直线波导5；光波在环形波导上不断运行，最终的输出是干涉相加的结果。线性波长扫描的激光光源1发出的光波经过传输光纤2，通过直线波导3进入谐振腔。多光束干涉的光波从导出直线光波导5输出，经过传输光纤6，进入光电探测电路7，最后到达数据处理电路8。整个波导谐振腔作为温度传感的敏感元件放置在待测环境中，环境温度的变化会导致谐振腔的长度的变化，最终反映在衰减常数τ_f上，通过测量τ_f可以计算出环境温度。

Claims (2)

1.一种频域腔衰荡光谱探测装置，其特征在于：包括光源、光路系统和数据处理系统；

所述光路系统包括依次连接的导入光纤准直器、第一反射镜、第二反射镜、导出光纤准直器；

所述数据处理系统包括依次连接的导出光纤、光电探测电路、数据处理电路；

所述用于发射光波信号的光源通过导入光纤将光波信号导入导入光纤准直器；

所述数据处理系统通过导出光纤接收光路系统的光波信号；

所述导出光纤与导出光纤准直器相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种频域腔衰荡光谱探测装置，其特征在于：所述光源发射的光波信号为经过波长线性扫描的光波信号。

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