一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术制造技术

本发明专利技术公开了一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术。该技术以V型折叠腔作为衰荡腔、以DFB激光器作为光源，窄带激光经光分束器及光准直器后，从折叠腔镜处斜入射到光腔内，通过扫描光学无源腔的腔长实现激光与光学腔之间的谐振。从折叠腔镜处射出的谐振光由光准直器汇聚进光纤后，被光分束器分为两束，其中一束用作光反馈信号返回DFB激光器内，由此实现激光与V型折叠腔之间的频率锁定以及DFB激光器的谱线压窄，进而提高光谱系统的稳定度和耦合效率；另一束由光电探测器接收，通过其测得的光衰减曲线求得腔的损耗值。该技术中，通过DFB激光器的电流调制实现激光的开关，通过DFB激光器的温度或电流调节实现激光的调谐，由此实现腔内气态介质的吸收光谱测量或浓度检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种气态物质吸收光谱测量及微量气体浓度检测的技术。
技术介绍
起源于上世纪80年代初的腔衰荡技术(Cavity ring down technique)，其最初目标主要是为解决高反率膜片的性能标定问题，它巧妙地通过测量光在低损耗光学无源腔内的衰减时间来反演出腔的损耗值，由此精确求得腔镜高反膜的反身寸率D. Z. Anderson, J. C. Frisch, and C. C. Masser, "Mirror ref lectometer based on optical cavity decay time，”Appl. Opt.，1984，23，1238 1245。对于光学无源腔而言， 腔的损耗除了腔镜损耗外，还主要包括腔内介质的吸收损耗，因此腔衰荡技术除了可用于膜片的损耗标定外，还可应用于气态物质的吸收光谱测量。1988年，0’ Keefe等人成功地将该技术应用于氧气分子的禁戒跃迁吸收光谱测量，由此产生了腔衰荡光谱技术(Cavity ring down spectroscopy)A. 0' Keefe and D. A. G. Deacon,"Cavityring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources,"Rev. Sci. Instrum.，1988, 59 :2544 2551。在过去近20多年间，各种腔衰荡光谱技术方案都曾被提出和应用，它们各具特色、相辅相成。譬如，根据选用的激光光源类型，腔衰荡光谱技术可分为脉冲型和连续光波型两种。其中，连续波腔衰荡光谱技术因具有更高的光谱分辨率、更强的腔输出光功率且可采用通信领域常用的半导体激光器作为光源而备受科技工作者的青睐，是目前国际上商业化高精度气体分析仪(如Tiger Optics及Picarro等公司的系列产品)的首选方案。此外，采用各种不同结构衰荡腔(包括直腔、折叠腔及环形腔)的腔衰荡光谱系统都曾被应用和研究。1999年，D. Romanini等人提出了一种折叠衰荡腔方案，并将此方案命名为光反馈式腔衰荡光谱技术(Optical feedback cavity ring down spectroscopy)D.Romanini, A. A. Kachanov, J. Morville, andM. Chenevier, "Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdown spectroscopy，"Proc. ofSPIE，1999，3821 :94 104。该方案中， 半导体激光器发出的激光从折叠腔镜处斜入射到光腔内，这有效地避免了直腔型光谱系统中因激光在腔镜上的强反射而导致的激光器性能不稳定问题。同时，该方案能充分利用光学谐振腔选模的特点，利用其谐振反馈光信号锁定激光频率并压窄激光谱线，使得光谱系统的稳定性及腔衰荡信号的信噪比大为增强。相比于其它类型的腔衰荡光谱技术方案而言，该种光反馈式折叠腔系统具有器件少、成本低、重复采样频率和信号信噪比高，以及抗震性能优良等优点。然而，该方案还有存在不足之处，如系统光谱分辨率有限、存在标准具效应及谱线纹波效应等等，这些不足限制了该方案的应用。针对上述折叠腔方案中的不足，本专利技术提出了一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术方案。该方案中，通过扫描折叠腔腔长实现激光与光学无源腔之间的谐振，由此实现系统的高分辨率光谱测量；通过改变腔衰荡光信号的探测位置，避免光谱系统中可能出现的各种问题，同时节省了系统成本、减少了系统体积，从而为其工程化、便携化提供条件。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，通过改变窄带激光与光学无源腔之间的谐振实现方式以及腔衰荡光信号的获取位置，提出了一种利用光反馈式腔衰荡光谱技术进行高光谱分辨率吸收光谱测量以及高灵敏度气体浓度检测的方案。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于(1)以V型折叠腔作为衰荡腔、以窄带DFB激光器作为光源，激光经光分束器及光准直器后，从折叠腔镜处斜入射到光腔内，通过扫描光学腔的腔长实现激光与光学腔之间的谐振。(2)从折叠腔镜射出的一路谐振光由光准直器汇聚进光纤内，并被光分束器分为两束。其中一束作为光反馈信号返回DFB激光器内，由此实现激光与光学腔之间的频率锁定以及DFB激光器的谱线压窄；另一束由光电探测器接收，通过其测得的光衰减曲线求得腔的损耗值。(3)通过DFB激光器的电流调制实现激光的快速开关，通过DFB激光器的温度或电流调谐实现激光波长扫描，由此实现腔内气态介质的吸收光谱测量或者浓度检测。所述步骤(1)中折叠腔可以为对称或非对称稳定腔结构。所述步骤(1)中折叠腔各端腔镜反射率大于99. 9%，而且越高越好。所述步骤(1)中DFB激光器的线宽应小于腔内模式间间隔。所述步骤O)中光准直器和光分路器可以为自由空间场器件。所述步骤O)中光分路器的分光比由光反馈量及腔衰荡信号信噪比共同决定。所述步骤(3)中DFB激光器的关断方式可采用专用的光开关器件。相比于国际上现有的光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，本专利技术通过扫描光学无源腔的腔长实现激光与光学无源腔之间的谐振，从而使得系统的光谱分辨率由激光的最小波长调谐量决定，而不再受腔纵模间隔的限制。同时，本专利技术将以往光反馈式系统中的探测器位置由衰荡腔两端改为折叠腔镜处，这有如下优势(1)，降低了系统对衰荡腔两端面镜后表面光学质量的要求，节省了系统成本；(2)，通过降低衰荡腔端面镜后表面的光学质量或者在其后表面涂上匹配液等办法，可有效地消除系统中可能存在的标准具效应；C3)，通过增大两端面镜反射率可进一步提高腔的品质因子、延长腔衰减时间，又不会使得腔衰荡信号明显减弱J4)，利用光准直器将腔衰荡光信号汇聚进光纤内，可节省常规系统中光电探测器前所需的聚焦系统，从而节省系统成本、减少系统体积；(5)，系统中部分光路在光纤中传输，这使得探测器位置的放置变得灵活，从而为其工程化、便携化创造条件。附图说明图1为本专利技术所述一种光反馈式连续波腔衰荡光谱系统的结构示意图。图中各模块如下1、压电式腔长调制器；2、v型折叠腔；3、光束准直器；4、光分束器；5、 光电探测器；6、DFB激光器；7、系统电路(包括DFB激光器的温度及电流驱动电路、比较触发电路及压电陶瓷驱动电路等)；8、高速数据采集卡及电子计算机。其中，细线及箭头代表光路及其方向，粗线及箭头代表电信号及其方向。图2为本专利技术装置实际测得的腔衰荡信号以及水汽吸收谱线。为便于对比，该图还给出了常规光反馈式方案(即探测器位于端面镜后)的测量结果。具体实施方式下面结合图1以及图2，详细描述本专利技术所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术。DFB激光器6在系统电路7中温控及电流驱动模块的控制下工作，其发出的窄带稳频激光从1 X 2光分路器4中的分支A入射。激光从主路出射后，经光准直器3 转换成自由场高斯光束，并从三腔镜V型折叠腔2中的折叠腔镜处斜入射到腔内。该折叠腔2中各腔镜曲率以及腔长L的选择主要考虑两个因素(1)，需满足光学无源腔的稳定性条件，即0 <本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙兴武，谭中奇，
申请(专利权)人：龙兴武，谭中奇，
类型：发明
国别省市：