用于光聲光譜測量的激光功率波動監(jiān)測和補償裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于光聲光譜測量的激光功率波動監(jiān)測和補償裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲光譜技術(shù)(photoacoustic spectroscopy)是一種基于光聲效應(yīng)發(fā)展起來的光譜技術(shù)。光聲光譜測量的是物體吸收光能的大小，可以測量傳統(tǒng)光譜方法難以測量的光散射強和不透明物體，而且樣品無論是晶體、粉末、膠體等均可測量，具有靈敏度高、適用范圍廣等優(yōu)點。在物理、化學(xué)、化工、地質(zhì)學(xué)、生物，醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]在目前將石英音叉應(yīng)用于氣體探測領(lǐng)域的研宄中，由于普遍采用波長調(diào)制技術(shù)，所以最終物質(zhì)譜線測量受到激光器功率波動影響較小，激光器功率的波動只會造成吸收譜線形狀的變化，不會對譜線位置造成影響，所以采用波長調(diào)制技術(shù)的時候，一般不對激光器功率進行監(jiān)測。
[0004]在目前使用光強調(diào)制方法進行的光聲光譜檢測中，由于激光器的功率波動會對檢測過程帶來干擾，導(dǎo)致物質(zhì)光譜測量出現(xiàn)誤差，從而影響對物質(zhì)的識別，為了減小由于激光器功率波動給光聲光譜測量帶來的影響，需要對激光器輸出功率進行實時監(jiān)測和補償，光聲光譜遙測中需要使用波長在中紅外波段的可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器，由于在這一波段的光功率采用普通的光電探測器檢測比較困難，已有的用于檢測中紅外激光器功率的方法和器件往往很昂貴且需要對其進行制冷，導(dǎo)致整個設(shè)備成本和復(fù)雜度上升，不利于儀器化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于光聲光譜測量的激光功率波動監(jiān)測和補償裝置及方法，該裝置設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)；該方法能夠?qū)す馄鞴β蔬M行實時監(jiān)測，對激光器功率波動進行補償，從而實現(xiàn)對激光器功率波動的抑制，解決激光器功率波動對于光聲光譜檢測的干擾問題。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種用于光聲光譜測量的激光功率波動監(jiān)測和補償裝置，包括計算機、變波長激光器、信號源及數(shù)據(jù)采集單元，計算機通過線纜與變波長激光器相連；在變波長激光器發(fā)出激光的光路上依次設(shè)置光強調(diào)制儀和分光棱鏡；計算機的輸出端與信號源的輸入端相連，信號源的輸出端與光強調(diào)制儀相連；
[0008]激光經(jīng)分光棱鏡分出的一束光路上設(shè)有用于功率監(jiān)測的第一石英音叉，待探測物體設(shè)置在分光棱鏡分出的另一束光路上，激光照射待探測物體后經(jīng)反射形成反射光路，在反射光路上設(shè)置凹面鏡，且在凹面鏡反射的焦點處設(shè)有用于光聲光譜信號探測的第二石英音叉；
[0009]第一石英音叉通過第一放大電路與數(shù)據(jù)采集單元的輸入端相連，第二石英音叉通過第二放大電路與數(shù)據(jù)采集單元的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接至計算機。
[0010]所述凹面鏡的位置能夠根據(jù)待探測物體位置的變化調(diào)整。
[0011]本發(fā)明還公開了光聲光譜測量中激光功率波動的監(jiān)測和補償方法，包括以下步驟:
[0012]I)計算機通過控制信號源向光強調(diào)制儀提供信號，光強調(diào)制儀根據(jù)該信號將變波長激光器發(fā)出的激光光強調(diào)制到相應(yīng)頻率；
[0013]2)經(jīng)調(diào)制的激光通過分光棱鏡進行分光，產(chǎn)生兩束激光，一束激光直接照射到用于激光功率監(jiān)測的第一石英音叉上，另一束激光照射到待探測物體上，經(jīng)反射后照射到用于光聲光譜信號探測的第二石英音叉上；
[0014]3)照射到第一石英音叉上的激光激起第一石英音叉振動，將第一石英音叉振動的信號輸出，經(jīng)放大電路放大后由數(shù)據(jù)采集單元采集傳輸至計算機進行處理后，獲得照射到第一石英音叉上的激光功率的波動情況；
[0015]4)根據(jù)第一石英音叉上的激光功率波動情況，通過負(fù)反饋對用于光聲光譜信號探測的第二石英音叉的輸出信號進行補償。
[0016]第一石英音叉和第二石英音叉的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。
[0017]所述負(fù)反饋是根據(jù)第一石英音叉上的激光功率波動情況，對用于光聲光譜信號探測的第二石英音叉進行噪聲抑制。能夠提高系統(tǒng)的信噪比，減小激光器功率波動對光聲光譜檢測的影響
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0019]本發(fā)明公開的用于光聲光譜測量的監(jiān)測和補償裝置，在變波長激光器發(fā)出激光的光路上設(shè)置光強調(diào)制儀和分光棱鏡，分光棱鏡能夠?qū)⒆儾ㄩL激光器發(fā)出的激光進行分束，一束照射到待探測物體，經(jīng)反射后照射到用于光聲光譜信號探測的石英音叉上，另一束激光直接照射到用于激光功率監(jiān)測的石英音叉上。該裝置采用雙石英音叉同時測量，其中一個用于監(jiān)測激光器功率的波動，另一個用于光聲光譜測量。由于用于光聲光譜檢測和功率補償?shù)募す馐怯梢慌_激光器發(fā)出的激光分出，兩束光功率波動一致，通過對其中一束激光的功率進行監(jiān)測，就可以知道另外一束激光的功率波動。因此，采用雙石英音叉進行功率檢測具有很好的波長適應(yīng)性，系統(tǒng)靈敏度不會隨著波長變化出現(xiàn)大幅波動，適合檢測的激光器變化范圍廣泛，適用于從可見光到中紅外波長激光器的波長范圍，結(jié)構(gòu)設(shè)置簡單，易實現(xiàn)，不需要使用昂貴的制冷探測器件。
[0020]本發(fā)明公開的光聲光譜測量中激光功率波動的監(jiān)測和補償方法，使用兩個石英音叉同時測量，一個石英音叉用于監(jiān)測激光器功率的波動，另一個石英音叉用于光聲光譜測量，通過對用于激光器功率監(jiān)測的石英音叉輸出的信號進行處理，然后對光聲光譜的測量結(jié)果進行補償，從而消除激光器功率波動對光聲光譜測量的影響，實現(xiàn)對激光器功率波動的抑制。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]其中，I為計算機；2為變波長激光器；3為光強調(diào)制儀；4為信號源；5為分光棱鏡；6為第一石英音叉；7為第二石英音叉；8為凹面鏡；9為數(shù)據(jù)采集單元；10為第一放大電路；11為第二放大電路。
[0023]圖2為本發(fā)明所用放大電路的結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0025]參見圖1，本發(fā)明的用于光聲光譜測量的激光功率波動監(jiān)測和補償裝置，包括變波長激光器2、信號源4、數(shù)據(jù)采集單元9及計算機1，計算機I通過線纜與變波長激光器2相連；在變波長激光器2發(fā)出激光的光路上依次設(shè)置光強調(diào)制儀3和分光棱鏡5 ;計算機I的輸出端與信號源4的輸入端相連，信號源4的輸出端與光強調(diào)制儀3相連；激光經(jīng)分光棱鏡5分出的一束光路上設(shè)有用于功率監(jiān)測的第一石英音叉6，照射到第一石英音叉6上的激光是經(jīng)過調(diào)制的激光。待探測物體設(shè)置在分光棱鏡5分出的另一束光路上，激光照射待探測物體后形成反射光路，在該反射光路上設(shè)置凹面鏡8，且在凹面鏡8反射的焦點處設(shè)有用于光聲光譜信號探測的第二石英音叉7 ;第一石英音叉6通過第一放大電路10與數(shù)據(jù)采集單元9相連，第二石英音叉7通過第二放大電路11與數(shù)據(jù)采集單元9相連；數(shù)據(jù)采集單元9的輸出端連接至計算機I。
[0026]所述放大電路的原理圖如圖2所示:
[0027]該電路原理參考了