一種連續(xù)可調(diào)激光光源的基于crds原理的氣體濃度測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及CRDS測量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種連續(xù)可調(diào)激光光源的基于CRDS原理的氣體濃度測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的CRDS測量系統(tǒng)中，用于裝待測氣體高品質(zhì)光學(xué)無源腔通常采用兩鏡式直腔。在腔內(nèi)建立起來的脈沖光束的光強隨時間衰減。對于空腔來說，腔內(nèi)光強衰減速度與腔鏡反射率、兩腔鏡間的距離以及光在腔內(nèi)的速度有關(guān)。當光學(xué)無源腔內(nèi)充滿待測氣體時，腔內(nèi)光強衰減速度增加。在良好的條件下，腔內(nèi)光強將呈單e數(shù)衰減。這樣通過繪制腔內(nèi)光強衰減速率與對應(yīng)的激光波長之間的關(guān)系獲得腔內(nèi)吸收光譜。
[0003]傳統(tǒng)的脈沖CRDS測量系統(tǒng)有幾個急待解決的問題，激光器通常采用脈沖式半導(dǎo)體激光器，數(shù)據(jù)獲得率受限于激光器的脈沖頻率。此外，由于脈沖激光器的激光頻率與腔固有光譜頻率重合部分較小，受脈沖激光器的脈沖頻率的影響，耦合進光學(xué)無源腔的并在腔內(nèi)建立起來的穩(wěn)定光強的也會較小。
[0004]傳統(tǒng)的CRDS測量系統(tǒng)中采用Drever的PDH方法，Drever等人利用光學(xué)光學(xué)無源腔的相位特性構(gòu)成穩(wěn)頻系統(tǒng)，利用調(diào)頻光譜技術(shù)獲得光學(xué)光學(xué)無源腔的色散曲線作為鑒頻曲線圖。對激光作微小的相位調(diào)制，產(chǎn)生分布在載頻兩側(cè)、幅度相等但初始位相相反的二個邊頻帶。由于受光學(xué)無源腔或其它介質(zhì)的影響，兩個邊頻帶的幅度或相位有了不均勻的變化，則兩差拍信號不能完全抵消，接收器會輸出一個頻率信號。該輸出信號用來產(chǎn)生類似于光學(xué)無源腔相移曲線的鑒頻曲線，這樣在較小的范圍內(nèi)均能產(chǎn)生有效的誤差信號用以調(diào)控腔長，因此，系統(tǒng)不易失鎖，抗干擾能力很強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供一種連續(xù)可調(diào)激光光源的基于CRDS原理的氣體濃度測量系統(tǒng)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0007]一種連續(xù)可調(diào)激光光源的基于CRDS原理的氣體濃度測量系統(tǒng)，包括光路部分器件和電路部分器件；
[0008]所述光路部分器件包括激光器、光隔離器、光準直器、波長計、光學(xué)無源腔；所述激光器包含待測氣體的吸收光頻率；所述光隔離器的作用是保護激光器免受反饋光的影響和控制支路中光的偏振特性；所述光準直器的作用是調(diào)節(jié)激光器出射光束的質(zhì)量，便于與光學(xué)無源腔進行模式匹配；
[0009]所述電路部分器件包括光電探測器、控制電路、PZT腔長調(diào)制器、高速數(shù)據(jù)采集卡及計算機；
[0010]在所述光學(xué)無源腔的腔內(nèi)形成穩(wěn)定光路后，在光學(xué)無源腔輸出鏡透射較強的光信號，出射光被分束器分成兩束光，一束光被光電探測器探測得到激光器與光學(xué)無源腔匹配情況是否良好的信息，通過對腔出射光的光斑分布，來確定激光器僅僅激發(fā)起光學(xué)無源腔對應(yīng)的基模高斯光束；另一束光由光電探測器探測，來獲得腔內(nèi)光強閾值積累的判斷和衰減速率的測量；最后通過對光強衰減速率的測量獲得強衰蕩光譜。
[0011]在上述技術(shù)方案中，還設(shè)有輔助低損光學(xué)腔的抽充氣裝置。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述激光器為DFB激光器。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述光學(xué)無源腔由兩平面鏡一球面鏡構(gòu)成，其中兩平面鏡分別為輸入鏡面和輸出鏡面，三面鏡子均渡有與待測氣體吸收頻率對應(yīng)的超高反射率。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所用激光器偏振狀態(tài)為S分量偏振光，在對光學(xué)無源腔中的鏡子鍍膜以及鏡子間距離的確定時，都需要針對S分量進行安裝調(diào)制。
[0015]在上述技術(shù)方案中，通過激光擴束器和模式匹配鏡對激光器出射光模式與光學(xué)無源腔的本征模式進行匹配，并通過光闌對光束的橫向光斑大小進行調(diào)整，對橫向分布不規(guī)則的部分光進行攔截。
[0016]本發(fā)明具有以下的有益效果:
[0017]I)三角形環(huán)形腔及相關(guān)問題的解決。三角形環(huán)形腔具有以下優(yōu)勢:(I)能在有限的腔體材料內(nèi)實現(xiàn)較長的吸收路徑。這對于調(diào)諧式系統(tǒng)而言，可減少腔縱模間隔，從而提高系統(tǒng)光譜分辨率；(2)除輸入、輸出腔鏡外，折疊鏡的加入方便了調(diào)腔式系統(tǒng)中PZT腔長調(diào)制器的安裝；(3)激光選擇從折疊鏡入射到腔內(nèi)時，可防止光束直接被反射回激光器，從而可節(jié)省光隔離器。其特征在于:利用三角形環(huán)形腔并采用具有偏振特性的激光光源，僅利用一個偏振方向的光進行探測，與光準直器的連接采用保偏光纖連接，這樣來省掉系統(tǒng)中的光隔離器，并能獲得較好的偏振激光光束；并且解決環(huán)形腔中，S分量和P分量具有不同的諧振頻率因此不能同時諧振的問題。
[0018]2)、激光器的波長鎖定系統(tǒng)。本發(fā)明中采用具有可調(diào)諧作用的DFB激光器，因該激光光源具有溫度、電流調(diào)諧功能，利用波長計對激光器的溫度、電流調(diào)諧系數(shù)的確定，在產(chǎn)品中便可采用數(shù)據(jù)控制的方式，通過控制溫度和電流實現(xiàn)對激光器的頻率進行精確調(diào)諧和激光器與光學(xué)無源腔的頻率鎖定系統(tǒng)，以上的激光器的溫度電流控制結(jié)合目前精度較高的波長計，采用誤差反饋調(diào)諧的方式對激光器進行頻率穩(wěn)定方式與傳統(tǒng)的PDH方式相比，既降低了儀器中控制器件的個數(shù)，降低了控制系統(tǒng)的難度，又可以實現(xiàn)激光光源在較長時間內(nèi)穩(wěn)頻。
[0019]3)、本發(fā)明實現(xiàn)在吸收譜線上進行多點測量。精確地測量和控制溫度和壓力對定量分析至關(guān)重要。傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)儀器僅僅通過兩點來測量吸光率，即最大吸收波長和基線波長兩點，激光僅僅在這兩點之間交替發(fā)射，這導(dǎo)致出現(xiàn)多種噪音和錯誤源。首先，簡單的統(tǒng)計學(xué)說明，單點的峰高測量是受限的，因其受到散粒噪音(雙鏡腔室)的影響；其次，這個方法假設(shè)激光總是處在譜線中心，這是不對的，即使激光波長真的沒有漂離譜線中心，基線和峰線也會漂離，除非設(shè)備的溫度和壓力能被準確穩(wěn)定地控制。第三，非目標氣體吸收線若與目標氣體吸收線重疊，哪怕是接近目標氣體被選基線的波長，測兩點的設(shè)備均無法將其識別。所有這些均將導(dǎo)致測量結(jié)果的不準確。事實上，本發(fā)明是沿著目標氣體光譜的吸收線，調(diào)節(jié)對應(yīng)吸收線不同位置的激光波長，并通過精細的匹配吸收峰來計算目標氣體的濃度。
[0020]4)、增加模式檢測系統(tǒng)。在探測器的一端連有CCD用于檢測光學(xué)無源腔出射光斑的分布情況，確保了激光器是與光學(xué)無源腔的基模耦合。此外，系統(tǒng)還輔助有一套高精度激光波長標定系統(tǒng)及真空系統(tǒng)(尚未在圖中標出)，用于DFB激光器波長及調(diào)諧系數(shù)的測定，以及低損光學(xué)腔的抽充氣。除硬件外，光譜系統(tǒng)的正常運行還需配套有相應(yīng)的軟件。軟件部分需完成的功能包括:協(xié)調(diào)硬件各模塊工作、采集并分析腔衰蕩信號及顯示腔損耗值、光譜曲線等。通過采用具有偏振特性、具有一定光隔離功能、并具有電流可調(diào)諧的DFB激光器，僅僅采用一個偏振方向用于對腔內(nèi)氣體的探測。通過這樣的簡化省掉了一些偏振分束調(diào)整功能的器件，提高了激光器的光能利用率；通過電流調(diào)諧實現(xiàn)激光器的開關(guān)功能