激光光谱仪系统稳定波长的方法技术方案

用于光谱测量的激光光谱仪波长稳定的一种方法，进行初次扫描；扫描中电流或电压信号值从最小值逐渐增加到最大值；最小和最大值的选择使被测种类的吸收特征处在扫描中；分析探测器输出，确定吸收特征对于前次扫描中的施加信号值的相对位置；确定与吸收特征相对应的吸收值；选择地计算出被测种类的浓度；限定新的电流或电压信号扫描，使扫描中的吸收特征设定在与前次相同的相对位置；进行另一次扫描，直到完成光谱测量。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1996年4月18日提出的申请号为08/634,448的申请的部分继续申请，本申请要求1995年10月10日提出的申请号为60/005,013的美国临时申请的优先权。本专利技术涉及激光光谱仪系统稳定波长的新方法，尤其是可调二极管激光器吸收光谱学(TDLAS)系统稳定波长的方法。可调二极管激光器吸收光谱学(TDLAS)是一种具有相当灵活性和灵敏度的技术，它广泛应用于环境监测、光谱学、化学动力学等等方面；TDLAS还适用于气相分子浓度的测量与检测。依照TDLAS技术，二极管激光器被用作发射源，将它调到发射特定波长光线的频率，该波长对应于试样中要检测的分子种类(molecularspecies)的特性；水蒸气是在能测量的分子种类中尤其重要的一种。二极管激光器产生的光束被传输到包含有相关的分子种类的样本区内；由激光二极管发射的部分光线穿过样本，被诸如光电二极管一类的探测器测量；到达探测器的光线强度由比尔(Beer’s)定律给出I＝I0·e－αlcP式中I0是入射波的辐射强度，α是吸收率，l是通过样本的射程，c是在样本的杂质浓度(按体积计算)，P是样本的总压强；探测器产生的信号可用来确定样本中相关的分子种类的浓度。二极管激光器发射光的波长的调节可通过改变二极管的温度和/或改变其施加的电流来完成；波长调节有很高的分辨率，吸收特征的特性形状即大致在中间频率吸收光的变化情况很容易观察到。二极管激光器发射光波长漂移的程度是控制TDLAS获得的气体测量精度的要素之一；波长的调节特别困难，即使二极管精确地保持恒定的温度和电流，二极管的性能也可能出现偏差；因此，即使二极管的温度和施加的电流是恒定的，发射光的波长也会随时间而缓慢漂移。解决二极管激光器波长漂移这一难题有两种已知方法；第一种方法是供给激光二极管一个反馈信号，这个反馈信号将发射光固定在一个特定的波长上；为了控制二极管激光器，以便发射出与相关分子种类的吸收特征一致的波长的光线，可用适当的电子仪器来发出对应于吸收信号的一次或三次函数的信号，把此函数信号反馈给二极管，以便把激光波长锁定在吸收特征的中间波长上。但是第一种处理方法存在着缺陷，因为激光发射器被固定在单一波长上，所以获得的信息仅仅与以那个特定波长的光有关；最理想的是获得有关相邻波长上传播的光信息，如果得到了这样的辅助信息，那么就能确定吸收特征的形状/波型。此外，光谱仪可以用相邻波长的信息进行自身的诊断以确保其正常工作，例如，可以用相邻波长来避免因相邻波长的吸收而造成的干扰。反馈技术通常只运用于信噪比相对高的吸收测量，即样本中相关分子要有足够的液度，否则，就必须提供经过相关分子有足够浓度的基准样本的基准光线路径。解决波长漂移问题的第二种方法激光波长快速、反复地改变，即在包括发生吸收的那个波长及其周围波长的范围内扫描，连续扫描得到的数据可依所要求的时间分辨力(time-resolution)进行单独分析或取平均值，通过取平均值可改善信噪比；根据此扫描技术，可以获得吸收形状的信息、以及有关光谱仪工作时其它诊断信息。对波长扫描自动化技术的知识要有进一步的了解，加到二极管激光器上的电流由计算机控制，在这种情况下，二极管激光电流的扫描范围被输入计算机；由于光的波长是二极管激光器的施加电流作用下产生的，所以扫描电流时也扫描了光的波长。在R.D.May的《应用光谱学》(AppliedSpectroscopy)第43(5)卷，834-839页(1989)，以及在R.D.May和C.R.Webster的《量化光谱学和发射传导》(Journal of QuantitativeSpectroscopy and Radiative Transfer)第49(4)卷中详尽描述了波长自动扫描技术。相对于每个电流(或波长)值，由探测器产生相应的吸收信号；计算机可以由每个电流和波长的吸收信号来确定相关吸收特征的位置及其吸收值，这样样本中相关分子浓度就能进行计算；此外，还可以自动测定与集中在吸收特征中的电流值相对应的波长。根据该扫描技术，吸收峰值的位置可以通过对吸收数据进行的视觉检验测定，也可以采用算法进行自动数据分析，但通常电流扫描技术实质上是完全被动的，它还不能使人完全满意；这种技术完全依赖于电流/波长扫描区域的大小，这个区域要足够大，以便将被描述的吸收特征的波长置于扫描区内，而波长不可以产生大的漂移，否则就会失去全部吸收特征。另外采用了几种技术来弥补电流扫描技术的被动性，比如，Frideet al(《应用光学》(Applied Optics)第30(15)卷，1916-1932页(1991))揭示了用一个基准光谱来解决二极管激光波长漂移所造成的影响；根据Fride et al的技术，把激光束分成几部分，让一部分通过相关样本，另一部分通过一个包含基准气体的专用气室，从而得到与每个样本光谱相对应的基准光谱；一个数据采集阶段完成后，调整基准光谱，以便使同一吸收峰值总是出现在同样位置；对相应样本的光谱也要进行同样的调整；这一技术显然不是实时的，它并不改变二极管激光器的输出，而仅改变光谱而已；该技术的意图是要实现连续光谱的平衡，以提高灵敏度，而不是要动态地校正二极管激光器的输出。R.D.May在《仪器科学评论》(Rev.Sci.Instrum)第63(5)卷，2922-2926页(1992)描述了另一种有关的技术，这种技术是基于对连续光谱的自相关计算，对二极管激光器扫描的实时主动校正；精确调准光谱时自相关是零，而自相关的非零值用来计算后对二极管激光器扫描作适当调整，以便减少二极管输出波长的漂移，这种方法的缺点是自相关功能计算很复杂；上文中的计算是利用快速傅里叶变换和在控制二极管系统的计算机中增加数组处理机来完成的；遗憾的是，数组处理机价格昂贵，它的费用在整个二极管激光器控制系统中占了较大的比例(5～20％)。为了克服以前的技术中存在的不足，本专利技术提供一种稳定激光光谱仪系统波长的新方法，它包括激光电流或电压信号扫描、自动校正波长漂移扫描，而不再需要繁杂和昂贵的附加计算和设备；本专利技术的方法使与相关吸收特征相对应的波长能实时自动校正，同时能立刻提供相关吸收特征周围波长的信息，因而可用来达到系统诊断目的。本专利技术第一方面提供了一种用于光谱测量的激光光谱仪的波长稳定方法，该方法包括以下步骤(a)进行初次扫描，包括对激光器施加电流或电压信号；电流或电压信号值在预定的信号值总量内从最小值逐渐增加到最大值；最小和最大信号值被挑选成使被测量种类的吸收特征落入在由最小和最大信号值界定的扫描中；(b)通过对与前次扫描中的信号值相对应的探测器输出信号进行分析，确定吸收特征相对于前次扫描中施加信号值的相对位置；(c)确定与吸收特征相对应的吸收值；(d)选择地计算出被测量种类的浓度；(e)通过重新设定前次扫描的信号值来确定一个新的信号扫描，以便使新的信号扫描中的吸收特征，相对于施加的信号值，与前次扫描处在同样的相对位置；(f)进行另一次扫描；并且(g)重复进行步骤(b)至(f)，直到完成光谱测量。本专利技术第二方面在步骤(e)中当吸收特征对于施加信号值的相对位置超出预置点，确定一个新的信号扫描。本专利技术第三和第四方面和上述很相似，不同的是所指的激光光谱仪是二极管激光光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光谱测量的二极管激光器光谱仪稳定波长的方法，包括：（ａ）进行初次扫描，包括对激光器施加电流，电流值在预定的电流值总量内从最小值逐渐增加到最大值；最小和最大电流值被挑选成使待测量种类的吸收特征落入由最小和最大电流值界定出的扫描中； （ｂ）通过对与前次扫描中的电流值相对应的探测器信号进行分析，确定吸收特征相对于前次扫描中施加电流值的相对位置；（ｃ）确定与吸收特征对应的吸收信号；（ｄ）选择地计算出被测量种类的浓度；（ｅ）通过重新设定前次扫描的电流值来确定一 个新的电流扫描，使得新的电流扫描中的吸收特征，相对于施加电流值，处在与前次扫描中同样的相对位置；（ｆ）进行另一次扫描；以及（ｇ）重复进行步骤（ｂ）至（ｆ），直到完成光谱测量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯迈克安德鲁，罗纳德S英曼，
申请(专利权)人：液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]