光腔长度稳定系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种光腔长度稳定系统及方法，该光腔长度稳定系统应用于光腔结构，且包括控制单元、温度采样单元、加热驱动电路以及控温箱，其中，所述光腔结构设置在所述控温箱内部；所述控温箱用于确保所述光腔结构的温度稳定在预设温度范围内；所述加热驱动电路与所述控温箱连接，并用于驱动所述控温箱；所述控制单元与所述温度采样单元连接，且所述控制单元用于处理所述温度采样单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。本发明专利技术提出的光腔长度稳定系统包含两个单元：温度控制单元和腔长反馈控制单元，两个单元协同工作，可以解决光学谐振腔长度会因外界因素的扰动而发生无规则变化的问题，实现光学谐振腔长度的稳定。

【技术实现步骤摘要】
光腔长度稳定系统及方法
本专利技术涉及光谱测量
，特别是涉及一种光腔长度稳定系统及方法。
技术介绍
光腔衰荡光谱(CavityRing-DownSpectroscopy，CRDS)技术：CRDS技术是近些年迅速发展起来的一种吸收光谱检测技术，其技术实现依靠光腔衰荡装置，该装置的主要组成部分是高反射率的光腔、激光器和探测器。其中，光学谐振腔(光腔)的主要组成部分是置于两端的反射镜，光从一端进入，在腔体里面来回反射形成共振并最终射出光腔。当激光模式与光腔模式完美匹配时，激光在光腔内部来回反射形成稳定的驻波。此时切断入射光，若腔内存在待测的样品气体，则在腔内形成振荡的激光在多次来回反射的过程中被样品不断吸收，另一端出射光的强度不断减弱。我们可以通过探测器测得不断减小的出射光的强度变化，得到光在腔内的衰荡曲线，从而得到有关样品浓度的相关信息。然而，为实现上述过程就需要保证：光学谐振腔长度不会随着外界温度漂移、机械振动而发生无规则的变化。但是现有技术除采用稳定性更高的支架等物理方法外没有有效的技术能够实现上述要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种光腔长度稳定系统及方法，该系统包括温度控制单元和腔长反馈控制单元组成，以解决光学谐振腔长度会因外界因素的扰动(如环境温度变化)而发生无规则变化的问题，保证光腔在一定时间内长度不发生变化。为了解决上述问题，本专利技术公开了一种光腔长度稳定系统，应用于光腔结构，且所述光腔长度稳定系统包括温度控制单元，所述温度控制单元包括控制单元、温度采样单元、加热驱动电路以及控温箱，其中，所述光腔结构设置在所述控温箱内部；所述控温箱用于确保所述光腔结构的温度稳定在预设温度范围内；所述加热驱动电路与所述控温箱连接，并用于驱动所述控温箱；所述控制单元与所述温度采样单元连接，且所述控制单元用于处理所述温度采样单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。可选地，所述温度采样单元包括温度传感器、采样电路及数据采集单元，其中，所述温度传感器一端连接至光腔结构用于采集光腔结构的温度、另一端连接至采样电路的一端；所述采样电路的另一端连接至数据采集单元的一端；所述控制单元与所述数据采集单元的另一端连接，且所述控制单元用于处理所述数据采集单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。可选地，所述光腔长度稳定系统还包括腔长反馈控制单元，所述腔长反馈控制单元包括参考激光器、声光调制单元、模式匹配单元、分光器、光电探测器以及反馈单元，其中，所述参考激光器用于发射激光，所述激光具有稳定的频率；所述声光调制单元用于调制激光频率；所述模式匹配单元用于确保所述激光在所述光腔结构中形成共振；所述分光器用于将从所述光腔结构中射出的光分为两束，且使得其中一束进入所述光电探测器；所述光电探测器用于将光信号转变为电信号；所述反馈单元用于获得误差信号，并将所述误差信号反馈到压电陶瓷上，且所述压电陶瓷设置于所述光腔结构的进光口。可选地，所述反馈单元包括通过特定连接线依次连接的锁相放大器、比例积分调节器、低通滤波器以及压电陶瓷控制单元，其中，所述锁相放大器用于检测特定频率的信号强弱；所述比例积分调节器用于将所述锁相放大的电信号进行比例积分处理；所述低通滤波器用于容许低于特定频率的信号通过并禁止高于特定频率的信号通过；所述压电陶瓷控制单元用于根据误差信号的电压大小来确定压电陶瓷的移动距离。可选地，所述加热驱动电路包括固态继电器及光电隔离电路，且所述光电隔离电路设置于所述控制单元与所述固态继电器之间。相应的，本申请还提供了一种光腔长度稳定方法，应用于光腔结构，所述光腔结构包括压电陶瓷，且包括下述步骤：采集光腔结构的温度值；计算出采集到的温度值与预设温度之间的差值和/或变化率；将所述差值和/或变化率作为温度误差信号反馈给控制单元；控制单元通过特定算法控制加热驱动电路的通断以实现光腔结构的温度稳定在预设温度或在特定范围内浮动。可选地，所述控制单元通过特定算法控制加热驱动电路的通断以实现光腔结构的温度稳定在预设温度或在特定范围内浮动的同时，所述方法还包括下述步骤：利用参考激光器发出具有特定频率的激光；利用声光调制单元对所述激光进行调制，并确保所述激光沿特定路径传播；利用模式匹配单元确保激光在光腔结构内形成共振；利用分光器将从所述光腔结构中射出的光分为两束，且使得其中一束进入所述光电探测器；利用光电探测器将光信号转变为电信号；将所述电信号发送至反馈单元并利用所述反馈单元获得误差信号；将所述误差信号反馈到设置于光腔结构进光口的压电陶瓷上；调节压电陶瓷的前后移动并实现对光腔长度的调节。可选地，所述采集光腔结构的温度值的步骤之前，所述方法还包括下述步骤：设计控温箱的外形及尺寸；根据控温箱的外形及尺寸设计设置于控温箱内壁的加热片的初始功率。可选地，所述采集光腔结构的温度值的步骤之前，所述方法还包括下述步骤：设计硬件电路系统，所述硬件电路系统用于确保光腔结构的温度稳定在预设温度或在特定范围内浮动；或开发控制程序，所述控制程序用于实现对光腔结构的温度的采集及参数设定。可选地，所述设计硬件电路系统或开发控制程序的步骤之后，所述方法还包括：在控制单元内设定预设温度；运行并调试所述硬件电路系统或控制程序。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下优点：首先，本专利技术提出的光腔长度稳定系统包含两个单元：温度控制单元和腔长反馈控制单元，两个单元协同工作，可以解决光学谐振腔长度会因外界因素的扰动而发生无规则变化的问题，实现光学谐振腔长度的稳定；进一步地，温度控制单元设计了内壁带有加热片的控温箱，加热片的分布和功率通过模拟仿真决定，以确保箱体内部温度均匀。将光腔置于箱体内部，利用PID控制算法为核心，通过控制加热片的加热时间以精密控制光腔内部的温度变化，保持箱体内温度恒定来减小腔长变化；再次，腔长反馈控制单元通过在参考激光器频率与光腔长度之间建立关联，则光腔长度的变化便取决于参考激光器频率的变化。由于选用稳定度较好的参考激光器，频率在一定时间内几乎不发生变化，故光腔长度也几乎不变。附图说明图1示出了一种光腔长度稳定系统的示意性方框图；图2示出了图1中光腔长度稳定系统的连接方式示意图；图3示出了图1中光腔长度稳定系统的一种温度控制单元的连接方式示意图；图4示出了一种控温箱的三维效果图；图5示出了一种光腔长度稳定方法的流程性示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例一本申请实施例提供了一种光腔长度稳定系统100，图1示出了该光腔长度稳定系统100的示意性方框图。参照图1，该系统包括控制单元11、温度采样单元30、加热驱动电路15以及控温箱16(例如：内壁设置有硅胶加热片的控温箱)，且所述单元构成温度控制单元10。具体的，该温度控制单元10的主要目的是使得腔内温度一直稳定在预设温度，通过实时采集腔内温度，并计算出实时测量到的温度值与预设温度之间的偏差及其变化率，计算之后的结果作为误差信号实时反馈给控制单元11，控制单元11通过特定算法来实现加热驱动电路15的通断，从而决定加热片161的加热时间，保证光腔结构40温度的稳定性。在具体实现过程中主要分为两部分：一是通过设计相应硬件电路系统控制加热片161本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光腔长度稳定系统，其特征在于，应用于光腔结构，且所述光腔长度稳定系统包括温度控制单元，所述温度控制单元包括控制单元、温度采样单元、加热驱动电路以及控温箱，其中，所述光腔结构设置在所述控温箱内部；所述控温箱用于确保所述光腔结构的温度稳定在预设温度范围内；所述加热驱动电路与所述控温箱连接，并用于驱动所述控温箱；所述控制单元与所述温度采样单元连接，且所述控制单元用于处理所述温度采样单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。

【技术特征摘要】
1.一种光腔长度稳定系统，其特征在于，应用于光腔结构，且所述光腔长度稳定系统包括温度控制单元，所述温度控制单元包括控制单元、温度采样单元、加热驱动电路以及控温箱，其中，所述光腔结构设置在所述控温箱内部；所述控温箱用于确保所述光腔结构的温度稳定在预设温度范围内；所述加热驱动电路与所述控温箱连接，并用于驱动所述控温箱；所述控制单元与所述温度采样单元连接，且所述控制单元用于处理所述温度采样单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度采样单元包括温度传感器、采样电路及数据采集单元，其中，所述温度传感器一端连接至光腔结构用于采集光腔结构的温度、另一端连接至采样电路的一端；所述采样电路的另一端连接至数据采集单元的一端；所述控制单元与所述数据采集单元的另一端连接，且所述控制单元用于处理所述数据采集单元采集的数据并控制所述加热驱动电路的通断。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光腔长度稳定系统还包括腔长反馈控制单元，所述腔长反馈控制单元包括参考激光器、声光调制单元、模式匹配单元、分光器、光电探测器以及反馈单元，其中，所述参考激光器用于发射激光，所述激光具有稳定的频率；所述声光调制单元用于调制所述激光的频率；所述模式匹配单元用于确保所述激光在所述光腔结构中形成共振；所述分光器用于将从所述光腔结构中射出的光分为两束，且使得其中一束进入所述光电探测器；所述光电探测器用于将光信号转变为电信号；所述反馈单元用于获得误差信号，并将所述误差信号反馈到压电陶瓷上，且所述压电陶瓷设置于所述光腔结构的进光口。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述反馈单元包括通过特定连接线依次连接的锁相放大器、比例积分调节器、低通滤波器以及压电陶瓷控制单元，其中，所述锁相放大器用于检测特定频率的信号强弱；所述比例积分调节器用于将所述锁相放大的电信号进行比例积分处理；所述低通滤波器用于容许低于特定频率的信号通过并禁止高于特定频率的信号通过；所述压电陶瓷控制单元用于根据误差信号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭瑞民，曹珂，沈庆飞，武彤，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11