一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，包括以下步驟：步驟一、開啟連續(xù)波長激光器，通過調(diào)整驅(qū)動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監(jiān)測器鎖定；步驟二、激光光束經(jīng)起偏器轉換為S線偏振光；步驟三、S線偏振光經(jīng)過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內(nèi)，并在腔內(nèi)諧振累積能量；步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程；步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。本發(fā)明可以剔除P光分量對衰蕩的影響，提高測量精度。
【專利說明】一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及痕量氣體濃度測量領域，具體是涉及一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。

【背景技術】
[0002]腔體衰蕩光譜(CRDS，Cavity Ring-down Spectrum)是近二三十年發(fā)展起來的一種痕量氣體濃度探測技術，通過選擇測量氣體特征吸收峰，其選擇性吸收特性配合長光程衰蕩來精確測量痕量氣體含量，一般能達到ppm或ppb量級(與氣體的吸收峰強度和衰蕩距離相關)。目前該技術廣泛應用于CH4，N2O, CO，C02，HF等氣體濃度的測量，在測量這些氣體同位素含量領域也有廣泛應用。
[0003]腔體衰蕩光譜的一項核心技術高反射率諧振腔，而構成諧振腔的關鍵是高反射率反射鏡，一般反射率要求在99.99%或更高，高反射率的意義有兩點:其一，開啟激光器時獲得更高的腔內(nèi)能量累計；其二，更小的鏡面反射損耗，獲得更長的衰蕩長度。在三面反射鏡的反射率均為99.999%時，當腔長為0.5m時，光強衰減為初始光強的0.3時，反射次數(shù)為40000，衰蕩經(jīng)過的距離為20km。而當反射率為99.99%，，衰蕩5000次時，相對光強已降到0.2。由此可以看出反射率在CRDS測量方法中的重要性。
[0004]目前使用的諧振腔多為兩鏡腔和三鏡腔。兩鏡腔中，其中一面反射鏡后既要安裝精密驅(qū)動裝置又要流出出射光線通路，安裝和調(diào)試多有不便。三鏡腔結構中，兩個平面高反射鏡一個用于光線入射，另一個用于光線出射，球面鏡后安裝驅(qū)動裝置，結構大為簡化，因此應用非常廣泛。但三鏡腔有一個缺陷是自然光的P分量和S分量反射率隨入射角度變化不一致，P光反射率衰減很快，而S光反射率衰減非常小。而從之前介紹中可以看出反射率的高低直接影響了衰蕩長度，從而影響測量精度。
[0005]目前使用最廣泛的獲得高反射率的方法是鍍膜，根據(jù)使用波長和鍍膜材料，通過控制膜厚和鍍膜層數(shù)達到設定的反射率。多層膜反射鏡有其特點，在傾斜入射時P光和S光分量會隨入射角度和波長變化，附圖1給出了 45度入射時，系統(tǒng)中使用的29層1102和S12高反膜P光和S光反射率與波長的關系。當使用波長在1450nm - 1620nm區(qū)間內(nèi)時，S光反射率保持在99.99%以上，而P光反射率卻不超過36%，且劇烈波動，最低時更是趨近于O。如果使用P光和S光共同的能量值來測量衰蕩時間，由于P光的迅速損耗，造成能量的非指數(shù)衰減，導致測量精度下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術中的技術問題，提供一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下:
[0008]一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、開啟連續(xù)波長激光器，通過調(diào)整驅(qū)動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監(jiān)測器鎖定；
[0010]步驟二、激光光束經(jīng)起偏器轉換為S線偏振光；
[0011 ] 步驟三、S線偏振光經(jīng)過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內(nèi)，并在腔內(nèi)諧振累積會；
[0012]步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程；
[0013]步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
[0014]本發(fā)明具有以下的有益效果:
[0015]本發(fā)明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，采用反射率為99.999% (正入射)的兩面平面鏡和一面球面鏡，組成高銳度反射諧振腔。多鏡式諧振腔具有結構簡單，利于安裝驅(qū)動組件和布置光路；光源采用窄線寬半導體激光器，通過驅(qū)動電流和溫度調(diào)節(jié)，使用波長監(jiān)測器監(jiān)測調(diào)節(jié)過程，使波長鎖定在目標波長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0017]圖1為45度入射時，系統(tǒng)中使用的29層T1jP S1 2高反膜P光和S光反射率與波長的關系不意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法一種【具體實施方式】的示意圖。
[0019]圖中的附圖標記表示為:
[0020]1-半導體激光器；2_起偏器；3_準直鏡；4_模式匹配鏡；5_高反射率平面鏡；6-高反射率平面鏡；7_球面鏡和驅(qū)動裝置；8_探測器。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明做以詳細說明。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法包括以下步驟:
[0023]開啟半導體激光器I，通過調(diào)整驅(qū)動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監(jiān)測器鎖定。
[0024]經(jīng)起偏器2轉換為與平面鏡表面垂直的S線偏振光。
[0025]經(jīng)準直鏡3準直和模式匹配鏡4匹配形狀后，入射到由高反射率平面鏡5、高反射率平面鏡6、球面鏡和驅(qū)動裝置7組成的諧振腔內(nèi)，并累積能量。
[0026]諧振腔出射能量通過探測器8采集，當能量達到設定上閾值時，關閉激光器，衰蕩過程開始。
[0027]能量在諧振腔內(nèi)開始衰蕩，直到探測器8上接收的能量達到下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
[0028]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、開啟連續(xù)波長激光器，通過調(diào)整驅(qū)動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監(jiān)測器鎖定； 步驟二、激光光束經(jīng)起偏器轉換為S線偏振光； 步驟三、S線偏振光經(jīng)過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內(nèi)，并在腔內(nèi)諧振累積能量。
2.如權利要求1所述的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，在步驟三之后還包括: 步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程。
3.如權利要求2所述的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，在步驟四之后還包括: 步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
【文檔編號】G01N21/39GK104515750SQ201410787501
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權日:2014年12月17日
【發(fā)明者】朱小明, 王曉東, 顏昌翔, 李丙玉 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所