專利名稱：一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣態(tài)物質(zhì)吸收光譜測量及微量氣體濃度檢測的技術(shù)。
背景技術(shù)：
起源于上世紀(jì)80年代初的腔衰蕩技術(shù)(Cavity ring down technique)，其最初目標(biāo)主要是為解決高反率膜片的性能標(biāo)定問題，它巧妙地通過測量光在低損耗光學(xué)無源腔內(nèi)的衰減時間來反演出腔的損耗值，由此精確求得腔鏡高反膜的反身寸率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。對于光學(xué)無源腔而言， 腔的損耗除了腔鏡損耗外，還主要包括腔內(nèi)介質(zhì)的吸收損耗，因此腔衰蕩技術(shù)除了可用于膜片的損耗標(biāo)定外，還可應(yīng)用于氣態(tài)物質(zhì)的吸收光譜測量。1988年，0’ Keefe等人成功地將該技術(shù)應(yīng)用于氧氣分子的禁戒躍遷吸收光譜測量，由此產(chǎn)生了腔衰蕩光譜技術(shù)(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。在過去近20多年間，各種腔衰蕩光譜技術(shù)方案都曾被提出和應(yīng)用，它們各具特色、相輔相成。譬如，根據(jù)選用的激光光源類型，腔衰蕩光譜技術(shù)可分為脈沖型和連續(xù)光波型兩種。其中，連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)因具有更高的光譜分辨率、更強(qiáng)的腔輸出光功率且可采用通信領(lǐng)域常用的半導(dǎo)體激光器作為光源而備受科技工作者的青睞，是目前國際上商業(yè)化高精度氣體分析儀(如Tiger Optics及Picarro等公司的系列產(chǎn)品)的首選方案。此外，采用各種不同結(jié)構(gòu)衰蕩腔(包括直腔、折疊腔及環(huán)形腔)的腔衰蕩光譜系統(tǒng)都曾被應(yīng)用和研究。1999年，D. Romanini等人提出了一種折疊衰蕩腔方案，并將此方案命名為光反饋式腔衰蕩光譜技術(shù)(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。該方案中， 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光從折疊腔鏡處斜入射到光腔內(nèi)，這有效地避免了直腔型光譜系統(tǒng)中因激光在腔鏡上的強(qiáng)反射而導(dǎo)致的激光器性能不穩(wěn)定問題。同時，該方案能充分利用光學(xué)諧振腔選模的特點(diǎn)，利用其諧振反饋光信號鎖定激光頻率并壓窄激光譜線，使得光譜系統(tǒng)的穩(wěn)定性及腔衰蕩信號的信噪比大為增強(qiáng)。相比于其它類型的腔衰蕩光譜技術(shù)方案而言，該種光反饋式折疊腔系統(tǒng)具有器件少、成本低、重復(fù)采樣頻率和信號信噪比高，以及抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。然而，該方案還有存在不足之處，如系統(tǒng)光譜分辨率有限、存在標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)及譜線紋波效應(yīng)等等，這些不足限制了該方案的應(yīng)用。針對上述折疊腔方案中的不足，本發(fā)明提出了一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)方案。該方案中，通過掃描折疊腔腔長實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)無源腔之間的諧振，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高分辨率光譜測量；通過改變腔衰蕩光信號的探測位置，避免光譜系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種問題，同時節(jié)省了系統(tǒng)成本、減少了系統(tǒng)體積，從而為其工程化、便攜化提供條件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過改變窄帶激光與光學(xué)無源腔之間的諧振實(shí)現(xiàn)方式以及腔衰蕩光信號的獲取位置，提出了一種利用光反饋式腔衰蕩光譜技術(shù)進(jìn)行高光譜分辨率吸收光譜測量以及高靈敏度氣體濃度檢測的方案。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于(1)以V型折疊腔作為衰蕩腔、以窄帶DFB激光器作為光源，激光經(jīng)光分束器及光準(zhǔn)直器后，從折疊腔鏡處斜入射到光腔內(nèi)，通過掃描光學(xué)腔的腔長實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)腔之間的諧振。(2)從折疊腔鏡射出的一路諧振光由光準(zhǔn)直器匯聚進(jìn)光纖內(nèi)，并被光分束器分為兩束。其中一束作為光反饋信號返回DFB激光器內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)腔之間的頻率鎖定以及DFB激光器的譜線壓窄；另一束由光電探測器接收，通過其測得的光衰減曲線求得腔的損耗值。(3)通過DFB激光器的電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光的快速開關(guān)，通過DFB激光器的溫度或電流調(diào)諧實(shí)現(xiàn)激光波長掃描，由此實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)的吸收光譜測量或者濃度檢測。所述步驟(1)中折疊腔可以為對稱或非對稱穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)。所述步驟(1)中折疊腔各端腔鏡反射率大于99. 9%，而且越高越好。所述步驟(1)中DFB激光器的線寬應(yīng)小于腔內(nèi)模式間間隔。所述步驟O)中光準(zhǔn)直器和光分路器可以為自由空間場器件。所述步驟O)中光分路器的分光比由光反饋量及腔衰蕩信號信噪比共同決定。所述步驟(3)中DFB激光器的關(guān)斷方式可采用專用的光開關(guān)器件。相比于國際上現(xiàn)有的光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，本發(fā)明通過掃描光學(xué)無源腔的腔長實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)無源腔之間的諧振，從而使得系統(tǒng)的光譜分辨率由激光的最小波長調(diào)諧量決定，而不再受腔縱模間隔的限制。同時，本發(fā)明將以往光反饋式系統(tǒng)中的探測器位置由衰蕩腔兩端改為折疊腔鏡處，這有如下優(yōu)勢(1)，降低了系統(tǒng)對衰蕩腔兩端面鏡后表面光學(xué)質(zhì)量的要求，節(jié)省了系統(tǒng)成本；(2)，通過降低衰蕩腔端面鏡后表面的光學(xué)質(zhì)量或者在其后表面涂上匹配液等辦法，可有效地消除系統(tǒng)中可能存在的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)；C3)，通過增大兩端面鏡反射率可進(jìn)一步提高腔的品質(zhì)因子、延長腔衰減時間，又不會使得腔衰蕩信號明顯減弱J4)，利用光準(zhǔn)直器將腔衰蕩光信號匯聚進(jìn)光纖內(nèi)，可節(jié)省常規(guī)系統(tǒng)中光電探測器前所需的聚焦系統(tǒng)，從而節(jié)省系統(tǒng)成本、減少系統(tǒng)體積；(5)，系統(tǒng)中部分光路在光纖中傳輸，這使得探測器位置的放置變得靈活，從而為其工程化、便攜化創(chuàng)造條件。


圖1為本發(fā)明所述一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各模塊如下1、壓電式腔長調(diào)制器；2、v型折疊腔；3、光束準(zhǔn)直器；4、光分束器；5、 光電探測器；6、DFB激光器；7、系統(tǒng)電路(包括DFB激光器的溫度及電流驅(qū)動電路、比較觸發(fā)電路及壓電陶瓷驅(qū)動電路等)；8、高速數(shù)據(jù)采集卡及電子計算機(jī)。其中，細(xì)線及箭頭代表光路及其方向，粗線及箭頭代表電信號及其方向。圖2為本發(fā)明裝置實(shí)際測得的腔衰蕩信號以及水汽吸收譜線。為便于對比，該圖還給出了常規(guī)光反饋式方案(即探測器位于端面鏡后)的測量結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1以及圖2，詳細(xì)描述本發(fā)明所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)。DFB激光器6在系統(tǒng)電路7中溫控及電流驅(qū)動模塊的控制下工作，其發(fā)出的窄帶穩(wěn)頻激光從1 X 2光分路器4中的分支A入射。激光從主路出射后，經(jīng)光準(zhǔn)直器3 轉(zhuǎn)換成自由場高斯光束，并從三腔鏡V型折疊腔2中的折疊腔鏡處斜入射到腔內(nèi)。該折疊腔2中各腔鏡曲率以及腔長L的選擇主要考慮兩個因素(1)，需滿足光學(xué)無源腔的穩(wěn)定性條件，即0 < (I-IVR1) · (1"L/R2) · (I-L/R3) < 1 ； (2),需根據(jù)自由場激光束的參數(shù)，以模式耦合效率計算公式為依據(jù)，盡量提高激光束與無源腔基模間的耦合效率；實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)選擇對稱腔結(jié)構(gòu)時，即V型無源腔兩臂長相等、兩端面腔鏡曲率相同，折疊腔鏡通常選擇平面反射鏡片，因?yàn)檫@有利于減少入射激光經(jīng)過折疊腔鏡后的光束畸變，從而提高模式耦合效率。壓電式腔長調(diào)制器1在系統(tǒng)電路7所產(chǎn)生的三角波信號驅(qū)動下來回掃描V型腔2 的腔長，此時腔的縱模位置也會隨之來回擺動，當(dāng)腔縱模位置與激光頻率重合時，激光耦合進(jìn)入V型無源腔2，并在其腔內(nèi)形成穩(wěn)定諧振。與以往光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)不同，本發(fā)明中，諧振光經(jīng)折疊腔鏡處透射后，再次通過光準(zhǔn)直器3聚焦到光路分束器4的主路上，由光路分束器4將諧振光分成A、B兩束。A路中的諧振光沿著DFB激光器的尾纖入射到激光器內(nèi)，被用作光反饋信號實(shí)現(xiàn)激光與V型無源腔4之間的頻率鎖定以及DFB激光器6的譜線壓窄，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定度以及腔衰蕩信號信噪比；B路中的諧振光被直接入射到光電探測器5上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。光電探測器5的電信號分為兩路，分別連接到系統(tǒng)電路7 以及高速數(shù)據(jù)采集卡8。其中，系統(tǒng)電路7中的峰值探測模塊用于獲取腔衰蕩觸發(fā)測量的閾值，該閾值電壓與比較觸發(fā)模塊的正輸入端相連，而系統(tǒng)電路7中比較觸發(fā)模塊的負(fù)輸入端直接與光電探測器5的輸出端相連。當(dāng)其電壓值大于設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)電路7中的DFB 激光器的電路驅(qū)動模塊通過切斷其注入電流迅速關(guān)斷激光，并同時發(fā)出觸發(fā)信號給高速數(shù)據(jù)采集卡及計算機(jī)8開始采樣探測器5的電輸出信號，由此實(shí)現(xiàn)連續(xù)波腔衰蕩測量。計算機(jī)8利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求的腔衰減時間，并由此確定該激光波長處的腔損耗值。DFB激光器6在系統(tǒng)電路7中溫控及電流驅(qū)動模塊的控制下，通過改變其工作溫度或者注入電流值，由此實(shí)現(xiàn)激光波長的掃描。而且，此時的系統(tǒng)光譜分辨率由DFB激光器的最小波長調(diào)諧量決定。每掃描一個激光波長，就按照上述步驟進(jìn)行腔損耗測量，如此重復(fù)，直到測得V型折疊腔2的腔損耗譜。隨后，計算機(jī)8根據(jù)腔內(nèi)吸收氣體的光譜線形擬合所測得的腔損耗譜曲線，由此測得其吸收光譜參數(shù)或者求得氣體濃度。在較窄的光譜范圍內(nèi)，除腔內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)的吸收損耗外，V型無源腔2的其它各類型損耗幾乎都不隨激光波長的掃描而有所變化，因此吸收譜線擬合時，可將這些損耗項以常數(shù)形式表示來簡化擬合過程。 需要補(bǔ)充說明的是，對于J. Morville等人在其光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)的所謂譜線紋波現(xiàn)象J. Morville, D. Romanini, A. A. Kachanov, and Μ. Chenevier, “Two schemes for tracedetection using cavity ringdown spectroscopy,”Appl. Phys. B. 2004，78，465-476，本發(fā)明通過采用超低損耗離子濺射鍍膜技術(shù)所鍍制的高反射率膜片、并保持其表面清潔度有效地進(jìn)行了消除，從而極大地提高了光譜系統(tǒng)的測量靈敏度和精度。下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。實(shí)例中，建立如下光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)系統(tǒng)以超低膨脹系數(shù)微晶玻璃為腔體材料建立折疊衰蕩腔，腔體長為24. 9cm、總腔長為49. lcm，折疊角度為7. 354°。超低損耗離子濺射鍍膜技術(shù)鍍制的高反膜率腔鏡(包括2片曲率半徑為8m的平凹端面鏡和1片平面折疊鏡)首先用激光準(zhǔn)直儀對其狀態(tài)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)后，然后以光膠的方式固定在腔體各端面上。實(shí)例中，將DFB激光器(線寬約2MHz) 的工作溫度穩(wěn)定在23. 5°C、注入電流穩(wěn)定在20mA，此時利用高精度波長計WA-1500-OTR測得激光波數(shù)為6591. 509cm-10系統(tǒng)通過安置在折疊衰蕩腔其中一個端面鏡后的壓電式腔長調(diào)制器推拉腔鏡來改變折疊腔的縱模位置，由此實(shí)現(xiàn)激光與折疊腔模式之間的諧振。腔透射諧振光經(jīng)光準(zhǔn)直器F240APC-1550聚焦進(jìn)光纖后，并由分光比為1 1的光纖分路器分成兩束，一束為光反饋信號返回DFB激光器內(nèi)，另一束為光探測信號被光電探測器PDA10CS 直接接收。當(dāng)光電探測器所獲得的腔透射諧振光信號大于設(shè)定閾值時，DFB激光器的電流驅(qū)動模塊在約80ns的時間內(nèi)關(guān)斷激光注入電流進(jìn)行腔衰蕩損耗測量，并同時出發(fā)高速數(shù)據(jù)采集卡(50MHz/12Bit)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此時測量結(jié)果如圖2中子圖(a)所示。計算機(jī)以f(t) =a exp(-t/T)+b為目標(biāo)函數(shù)擬合腔衰蕩數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果見子圖(a)中虛線所示，從擬合剩余誤差(如子圖(a)中下圖)可知，腔衰蕩信號呈理想的單指數(shù)衰減。根據(jù)擬合得到的腔衰減時間τ，由公式δ =L/(T C)可求得此波長處的腔總損耗值δ = 193. llppm，其中c為光速，L為總腔長。穩(wěn)定DFB激光器的工作溫度，并在20 80mA范圍內(nèi)掃描 0. 154mA為步長掃描DFB激光器的注入激光，測得激光波數(shù)調(diào)諧范圍為6590. 302 6591. 509cm-10期間，重復(fù)以上單波長腔損耗測量過程可獲得整個掃描光譜范圍腔內(nèi)水汽的吸收譜線，結(jié)果如圖2(b)中虛線所示。經(jīng)計算，本實(shí)驗(yàn)裝置在未采取任何防震措施的情況下，其等噪聲吸收靈敏度可達(dá) 7. 5X10_7Cm，而且并未觀察到明顯的所謂標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)及譜線紋波現(xiàn)象。為便于對比，圖2中還列舉了常規(guī)光反饋式方案測得的同光譜范圍內(nèi)的腔損耗譜，如圖2中實(shí)線所示?？煽闯觯瑑纱螠y得的腔損耗譜曲線能完全重合。此外，將測得的腔損耗譜線進(jìn)行分析，可得到3條較為明顯的水汽吸收線，它們的光譜位置經(jīng)校準(zhǔn)后分別為 6590. 524,6590. 763 及 6590. 871cm_1,譜線寬度分別為 0. 0196,0. 0205 及 0. ΙΟΙδαιΓ1。 該測量結(jié)果與HITRAN2004數(shù)據(jù)庫所提供的此波段水汽分子譜線參數(shù)(光譜位置分別為 6590. 523,6590. 765 及 6590. 871cm_1,譜線寬度分別為 0. 0185,0. 0710 及 0. 1048cm-1)極為接近(6590. 765cm-1處的譜線除外)，充分顯示了本方案測量結(jié)果的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于(1)以V型折疊腔作為衰蕩腔、以窄帶DFB激光器作為光源，激光經(jīng)光分束器及光準(zhǔn)直器后，從折疊腔鏡處斜入射到光腔內(nèi)，通過掃描光學(xué)腔的腔長實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)腔之間的諧振。(2)從折疊腔鏡射出的一路諧振光由光準(zhǔn)直器匯聚進(jìn)光纖內(nèi)，并被光分束器分為兩束。 其中一束作為光反饋信號返回DFB激光器內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)腔之間的頻率鎖定以及 DFB激光器的譜線壓窄；另一束由光電探測器接收，通過其測得的光衰減曲線求得腔的損耗值。(3)通過DFB激光器的電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光的快速開關(guān)，通過DFB激光器的溫度或電流調(diào)諧實(shí)現(xiàn)激光波長掃描，由此實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)的吸收光譜測量或者濃度檢測。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟(1)中折疊腔可以為對稱或非對稱穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟(1)中折疊腔各端腔鏡反射率大于99.9%，而且越高越好。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟(1)中DFB激光器的線寬應(yīng)小于腔內(nèi)模式間間隔。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟O)中光準(zhǔn)直器和光分路器可以為自由空間場器件。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟O)中光分路器的分光比由光反饋量及腔衰蕩信號信噪比共同決定。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)，其特征在于所述步驟(3)中DFB激光器的關(guān)斷方式可采用專用的光開關(guān)器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光反饋式連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)。該技術(shù)以V型折疊腔作為衰蕩腔、以DFB激光器作為光源，窄帶激光經(jīng)光分束器及光準(zhǔn)直器后，從折疊腔鏡處斜入射到光腔內(nèi)，通過掃描光學(xué)無源腔的腔長實(shí)現(xiàn)激光與光學(xué)腔之間的諧振。從折疊腔鏡處射出的諧振光由光準(zhǔn)直器匯聚進(jìn)光纖后，被光分束器分為兩束，其中一束用作光反饋信號返回DFB激光器內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)激光與V型折疊腔之間的頻率鎖定以及DFB激光器的譜線壓窄，進(jìn)而提高光譜系統(tǒng)的穩(wěn)定度和耦合效率；另一束由光電探測器接收，通過其測得的光衰減曲線求得腔的損耗值。該技術(shù)中，通過DFB激光器的電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光的開關(guān)，通過DFB激光器的溫度或電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)諧，由此實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)的吸收光譜測量或濃度檢測。
文檔編號G01N21/31GK102445423SQ201010299118
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者譚中奇, 龍興武 申請人:譚中奇, 龍興武