本發(fā)明涉及環(huán)境、電力等行業(yè)氣體檢測領(lǐng)域，具體涉及一種用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔。

背景技術(shù)：

氣體檢測技術(shù)與裝備是工業(yè)生產(chǎn)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、電力變壓器早期故障診斷、國家安全等領(lǐng)域必備的重要檢測手段，所需檢測混合氣體種類較多且濃度通常在ppm或ppb量級。目前常用的氣相色譜法、質(zhì)譜法、半導(dǎo)體氣敏傳感器法、紅外吸收光譜及光聲光譜法存在需要更換色譜柱、混合氣體交叉敏感、易老化、穩(wěn)定性不高等問題，無法滿足各行業(yè)微量氣體長期穩(wěn)定檢測的需要。拉曼光譜技術(shù)能利用單一波長的激光就能同時對混合特征氣體直接進(jìn)行檢測分析，無需組分分離，抗老化能力強(qiáng)，在各行業(yè)高濃度氣體檢測領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。但由于氣體拉曼散射截面積小，拉曼散射效應(yīng)弱，使基于拉曼光譜分析的最小檢測濃度不能滿足微量特征氣體檢測的需求。提高激光作用功率及有效作用長度是最常用且最有效的提高氣體拉曼散射強(qiáng)度的方法。因此研究一種用于提高激光作用功率及有效作用長度的技術(shù)和方法來實(shí)現(xiàn)微量氣體的拉曼光譜信號強(qiáng)度，對提升各行業(yè)微量氣體檢測、監(jiān)測水平具有重要的學(xué)術(shù)價值和實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔。本發(fā)明針對氣體拉曼散射截面積小，拉曼散射效應(yīng)弱，使基于拉曼光譜分析的最小檢測濃度不能滿足微量特征氣體檢測的需求的現(xiàn)狀，提出了用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔，基于多光束干涉及激光器輸出頻率鎖定增強(qiáng)腔模式，使激光高效耦合進(jìn)入增強(qiáng)腔并在腔內(nèi)來回多次反射，同時提高激光與氣體的有效作用長度與激光功率，大幅提高氣體拉曼散射強(qiáng)度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔，包括激光單元、v型增強(qiáng)腔單元和頻率鎖定單元，

所述激光單元用于產(chǎn)生單一頻率的單模tem00激光，激光單元包括依次連接的分布式反饋半導(dǎo)體激光器、電流控制器和信號發(fā)生器；

所述v型增強(qiáng)腔單元包括呈v型結(jié)構(gòu)放置的高透高反鏡片m4、高透高反鏡片m5和高透高反鏡片m6，所述高透高反鏡片m4為平面鏡，高透高反鏡片m5為平面鏡，高透高反鏡片m6的反射面為凹球面，透射面為平面；激光從高透高反鏡片m4透射進(jìn)入v型增強(qiáng)腔單元并在高透高反鏡片m4、高透高反鏡片m5、高透高反鏡片m6之間來回反射；

所述頻率鎖定單元包括探測器a、探測器b、反射鏡m2、功率采集板m3、壓電傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、pzt控制器以及計(jì)算機(jī)，其中探測器a采集腔前功率信號用于修正激光器波動的影響，探測器b采集腔后功率信號；分布式反饋半導(dǎo)體激光器出射的激光經(jīng)反射鏡m2入射到功率采集板m3；經(jīng)功率采集板的一部分光透射到高透高反鏡片m4，另一部分光反射到控制器a；探測器a采集的信號和探測器b采集的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分析腔后與腔前信號比值的變化情況，輸出pzt反饋控制信號，通過pzt控制器調(diào)節(jié)壓電傳感器的位置來改變反射鏡m2的位置。

進(jìn)一步，所述高透高反鏡片m4的正面反射率大于99.99％，背面透射率大于99.99％；所述高透高反鏡片m5的正面反射率大于99.99％，背面透射率大于99.99％；所述高透高反鏡片m6的正面反射率大于99.99％，背面透射率大于99.99％。

進(jìn)一步，入射激光l1與高透高反鏡片m4的交點(diǎn)a貼近高透高反鏡片m4的中心；透過高透高反鏡片m4的激光l2交高透高反鏡片m6于點(diǎn)c，且交點(diǎn)c貼近高透高反鏡片m6的中心，激光l2平行于高透高反鏡片m6上c點(diǎn)切平面法線方向；激光l2經(jīng)高透高反鏡片m6反射的激光l3與高透高反鏡片m4交于點(diǎn)a，且激光l3與高透高反鏡片m4的法線方向夾角為15°；激光l3經(jīng)高透高反鏡片m4反射的激光l4交高透高反鏡片m5于點(diǎn)b，且激光l4與高透高反鏡片m5法線方向平行；激光l3與激光l4的夾角為30°；激光l1與高透高反鏡片的m4法線方向夾角為15°；高透高反鏡片m4上點(diǎn)a到激光器的光程距離為3(sac+sab)。

進(jìn)一步，所述v型增強(qiáng)腔單元還包括模式匹配透鏡，所述模式匹配透鏡設(shè)置于高透高反鏡片m4與功率采集板之間。

進(jìn)一步，所述模式匹配透鏡為平凸透鏡。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明能提高激光與氣體的有效作用長度與激光功率，實(shí)現(xiàn)微量氣體拉曼光譜散射信號的增強(qiáng)，能較好的應(yīng)用于微量氣體拉曼光譜檢測領(lǐng)域。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔示意圖；

圖2為v型腔鏡片相對位置示意圖；

圖3為基于labview的頻率鎖定單元流程圖；

圖4為頻率鎖定下的腔模式。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1所示為用于氣體拉曼光譜檢測信號增強(qiáng)的頻率鎖定v型增強(qiáng)腔結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光單元、v型增強(qiáng)腔單元、頻率鎖定單元等。

所述激光單元包括635nm分布式反饋半導(dǎo)體激光器(dl)、電流控制器、信號發(fā)生器等。電流控制器通過改變激光器掃描電流可以控制dl的輸出頻率，其中掃描電流波形由信號發(fā)生器控制(優(yōu)化參數(shù)為：反鋸齒波，頻率2khz，幅度40mv，偏置4.8v)。

所述v型增強(qiáng)腔單元包含高透高反鏡片m4、高透高反鏡片m5和高透高反鏡片m6及增強(qiáng)腔外部的模式匹配透鏡，3塊高透高反鏡片的正面反射率大于99.99％，背面透射率大于99.99％，波長630nm至680nm。其中m4、m5為平面鏡，鏡片直徑25.4mm；m6反射面為凹球面，曲率半徑250mm，透射面為平面，鏡片直徑25.4mm。

3片高透高反鏡呈v型結(jié)構(gòu)放置，相對位置如圖2所示，激光與高透高反鏡片m4、高透高反鏡片m5、高透高反鏡片m6分別交于為a、b、c，并達(dá)到以下要求：

激光器入射激光l1與高透高反鏡片m4的交點(diǎn)a貼近高透高反鏡片m4中心；透過高透高反鏡片m4的激光l2交高透高反鏡片m6于點(diǎn)c，且交點(diǎn)c貼近高透高反鏡片m6中心，激光l2平行于高透高反鏡片m6上c點(diǎn)切平面法線方向，確保腔內(nèi)激光可以返回激光器，以實(shí)現(xiàn)頻率鎖定；激光l2經(jīng)高透高反鏡片m6反射的激光l3與高透高反鏡片m4交于點(diǎn)a，且激光l3與高透高反鏡片m4法線方向夾角為15°；激光l3經(jīng)高透高反鏡片m4反射的激光l4交高透高反鏡片m5于點(diǎn)b，且激光l4與高透高反鏡片m5法線方向平行；激光l4經(jīng)高透高反鏡片m5反射的激光l5可按原路返回點(diǎn)a、點(diǎn)c，因此激光可在a、b、c三點(diǎn)之間來回多次反射；

高透高反鏡片m4上點(diǎn)a與高透高反鏡片m5上點(diǎn)b距離125mm，m4上點(diǎn)a與m6上點(diǎn)c距離125mm。v型腔夾角(激光l3與激光l4夾角)為30°。腔外入射激光l1與高透高反鏡片m4法線方向夾角為15°，因此可以防止激光器發(fā)出的激光直接被高透高反鏡片m4反射回激光器，造成頻率誤鎖定。高透高反鏡片m4上點(diǎn)a與激光器距離為v型腔長(sac+sab，sac為點(diǎn)a到點(diǎn)c的距離，sab為點(diǎn)a到點(diǎn)b的距離)的3倍，即750mm。激光從高透高反鏡片m4透射進(jìn)入增強(qiáng)腔并在高透高反鏡片m4、高透高反鏡片m5、高透高反鏡片m6之間來回反射上萬次，增加激光作用功率及激光與待測氣體的有效作用長度。增強(qiáng)后的激光經(jīng)m4透射后延原路返回激光器，在相位匹配的條件下，能實(shí)現(xiàn)激光器輸出頻率有效鎖定增強(qiáng)腔的共振頻率/模式v＝qc/2nl(v為激光頻率，l為腔長，c為光速，n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率，q取整數(shù))。選取焦距f＝300mm的平凸透鏡作為模式匹配透鏡，該透鏡與高透高反鏡片m4上點(diǎn)a距離100mm，與激光器距離650mm，與入射激光夾角為10°，以防止激光器發(fā)出激光直接返回激光器。模式匹配透鏡可以實(shí)現(xiàn)高斯光束的模式匹配，提高激光耦合進(jìn)入增強(qiáng)腔的效率。

所述頻率鎖定單元包括2個激光功率探測器(探測器a、探測器b)、壓電傳感器(pzt)及數(shù)據(jù)采集卡。其中探測器a采集腔前功率信號、探測器b采集腔后功率信號，2路信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(單通道采樣率500ks/s)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。利用labview軟件編寫pzt控制程序，將采集到的腔后與腔前信號按比值歸一化處理，基于激光器腔模對稱性理論對比值數(shù)據(jù)進(jìn)行微分、積分處理，實(shí)現(xiàn)腔與激光器距離lc-l(反饋光匹配相位)微小偏差的判斷，輸出負(fù)反饋信號控制pzt的移動，通過pzt的智能調(diào)節(jié)調(diào)控鏡片m2在最合適的位置上，從而實(shí)現(xiàn)激光器輸出頻率有效鎖定v型增強(qiáng)腔的腔諧振模式。

實(shí)際檢測中，由于光反饋頻率鎖定效應(yīng)，腔內(nèi)可建立穩(wěn)定的腔模式，腔后穩(wěn)定腔模式信號如圖4所示。單個激光器掃描電流周期內(nèi)，腔內(nèi)存在1個腔模式并出現(xiàn)在掃描周期中間位置(通過掃描電流頻率和幅值來控制)，pzt自動控制程序根據(jù)腔模式的對稱性，自動調(diào)節(jié)pzt位移，此時腔內(nèi)激光功率將大幅提高。

v型增強(qiáng)腔平均腔衰蕩時間τ0約為7μs，可得鏡片有效反射率為：

經(jīng)探測器a采集的腔前功率信號為2.7mw，功率采樣板m3反射率為10％，因此進(jìn)入v型增強(qiáng)腔內(nèi)的激光功率為idl＝24.3mw。經(jīng)探測器b采集的腔后功率為100μw，腔內(nèi)激光功率為：

其中itrans為腔后功率(100μw)，r為鏡片有效反射率(0.9999)。因此v型增強(qiáng)腔內(nèi)激光功率為2000mw，增強(qiáng)倍數(shù)為icavity/ild≈82倍。

v型增強(qiáng)腔的品質(zhì)因數(shù)為：

一個光子平均在腔內(nèi)來回反射次數(shù)為2f/π≈10000次，等價于約25cm的光腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5km的有效作用路徑。

頻率鎖定v型增強(qiáng)腔的使用，使激光在高反鏡m4、m5、m6之間來回反射上萬次，激光與待測氣體的有效作用路徑提升至5km，同時腔內(nèi)激光功率提高82倍，從而頻率鎖定v型增強(qiáng)腔可實(shí)現(xiàn)了氣體拉曼光譜散射信號的增強(qiáng)，約十多萬倍。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。