一種連續(xù)可調(diào)激光光源的基于crds原理的氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及CRDS測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的CRDS測(cè)量系統(tǒng)中，用于裝待測(cè)氣體高品質(zhì)光學(xué)無(wú)源腔通常采用兩鏡式直腔。在腔內(nèi)建立起來(lái)的脈沖光束的光強(qiáng)隨時(shí)間衰減。對(duì)于空腔來(lái)說(shuō)，腔內(nèi)光強(qiáng)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(dāng)光學(xué)無(wú)源腔內(nèi)充滿待測(cè)氣體時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)衰減速度增加。在良好的條件下，腔內(nèi)光強(qiáng)將呈單e數(shù)衰減。這樣通過(guò)繪制腔內(nèi)光強(qiáng)衰減速率與對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)之間的關(guān)系獲得腔內(nèi)吸收光譜。
[0003]傳統(tǒng)的脈沖CRDS測(cè)量系統(tǒng)有幾個(gè)急待解決的問(wèn)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(jìn)光學(xué)無(wú)源腔的并在腔內(nèi)建立起來(lái)的穩(wěn)定光強(qiáng)的也會(huì)較小。
[0004]傳統(tǒng)的CRDS測(cè)量系統(tǒng)中采用Drever的PDH方法，Drever等人利用光學(xué)光學(xué)無(wú)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(wú)源腔的色散曲線作為鑒頻曲線圖。對(duì)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(gè)邊頻帶。由于受光學(xué)無(wú)源腔或其它介質(zhì)的影響，兩個(gè)邊頻帶的幅度或相位有了不均勻的變化，則兩差拍信號(hào)不能完全抵消，接收器會(huì)輸出一個(gè)頻率信號(hào)。該輸出信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生類似于光學(xué)無(wú)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(hào)用以調(diào)控腔長(zhǎng)，因此，系統(tǒng)不易失鎖，抗干擾能力很強(qiáng)。

【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(wèn)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(cè)量系統(tǒng)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)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(cè)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(zhǔn)直器、波長(zhǎng)計(jì)、光學(xué)無(wú)源腔；所述激光器包含待測(cè)氣體的吸收光頻率；所述光隔離器的作用是保護(hù)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(zhǔn)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(wú)源腔進(jìn)行模式匹配；
[0009]所述電路部分器件包括光電探測(cè)器、控制電路、PZT腔長(zhǎng)調(diào)制器、高速數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)；
[0010]在所述光學(xué)無(wú)源腔的腔內(nèi)形成穩(wěn)定光路后，在光學(xué)無(wú)源腔輸出鏡透射較強(qiáng)的光信號(hào)，出射光被分束器分成兩束光，一束光被光電探測(cè)器探測(cè)得到激光器與光學(xué)無(wú)源腔匹配情況是否良好的信息，通過(guò)對(duì)腔出射光的光斑分布，來(lái)確定激光器僅僅激發(fā)起光學(xué)無(wú)源腔對(duì)應(yīng)的基模高斯光束；另一束光由光電探測(cè)器探測(cè)，來(lái)獲得腔內(nèi)光強(qiáng)閾值積累的判斷和衰減速率的測(cè)量；最后通過(guò)對(duì)光強(qiáng)衰減速率的測(cè)量獲得強(qiáng)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(wú)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(cè)氣體吸收頻率對(duì)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(duì)光學(xué)無(wú)源腔中的鏡子鍍膜以及鏡子間距離的確定時(shí)，都需要針對(duì)S分量進(jìn)行安裝調(diào)制。
[0015]在上述技術(shù)方案中，通過(guò)激光擴(kuò)束器和模式匹配鏡對(duì)激光器出射光模式與光學(xué)無(wú)源腔的本征模式進(jìn)行匹配，并通過(guò)光闌對(duì)光束的橫向光斑大小進(jìn)行調(diào)整，對(duì)橫向分布不規(guī)則的部分光進(jìn)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(wèn)題的解決。三角形環(huán)形腔具有以下優(yōu)勢(shì):(I)能在有限的腔體材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的吸收路徑。這對(duì)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(zhǎng)調(diào)制器的安裝；(3)激光選擇從折疊鏡入射到腔內(nèi)時(shí)，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(gè)偏振方向的光進(jìn)行探測(cè)，與光準(zhǔn)直器的連接采用保偏光纖連接，這樣來(lái)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(shí)諧振的問(wèn)題。
[0018]2)、激光器的波長(zhǎng)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(zhǎng)計(jì)對(duì)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(guò)控制溫度和電流實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的頻率進(jìn)行精確調(diào)諧和激光器與光學(xué)無(wú)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(zhǎng)計(jì)，采用誤差反饋調(diào)諧的方式對(duì)激光器進(jìn)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(gè)數(shù)，降低了控制系統(tǒng)的難度，又可以實(shí)現(xiàn)激光光源在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)頻。
[0019]3)、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)在吸收譜線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。精確地測(cè)量和控制溫度和壓力對(duì)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(guò)兩點(diǎn)來(lái)測(cè)量吸光率，即最大吸收波長(zhǎng)和基線波長(zhǎng)兩點(diǎn)，激光僅僅在這兩點(diǎn)之間交替發(fā)射，這導(dǎo)致出現(xiàn)多種噪音和錯(cuò)誤源。首先，簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)說(shuō)明，單點(diǎn)的峰高測(cè)量是受限的，因其受到散粒噪音(雙鏡腔室)的影響；其次，這個(gè)方法假設(shè)激光總是處在譜線中心，這是不對(duì)的，即使激光波長(zhǎng)真的沒(méi)有漂離譜線中心，基線和峰線也會(huì)漂離，除非設(shè)備的溫度和壓力能被準(zhǔn)確穩(wěn)定地控制。第三，非目標(biāo)氣體吸收線若與目標(biāo)氣體吸收線重疊，哪怕是接近目標(biāo)氣體被選基線的波長(zhǎng)，測(cè)兩點(diǎn)的設(shè)備均無(wú)法將其識(shí)別。所有這些均將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。事實(shí)上，本發(fā)明是沿著目標(biāo)氣體光譜的吸收線，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)吸收線不同位置的激光波長(zhǎng)，并通過(guò)精細(xì)的匹配吸收峰來(lái)計(jì)算目標(biāo)氣體的濃度。
[0020]4)、增加模式檢測(cè)系統(tǒng)。在探測(cè)器的一端連有CCD用于檢測(cè)光學(xué)無(wú)源腔出射光斑的分布情況，確保了激光器是與光學(xué)無(wú)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(zhǎng)標(biāo)定系統(tǒng)及真空系統(tǒng)(尚未在圖中標(biāo)出)，用于DFB激光器波長(zhǎng)及調(diào)諧系數(shù)的測(cè)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(yùn)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(hào)及顯示腔損耗值、光譜曲線等。通過(guò)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(gè)偏振方向用于對(duì)腔內(nèi)氣體的探測(cè)。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)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(guò)電流調(diào)諧實(shí)現(xiàn)激光器的開(kāi)關(guān)功能