一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法。包括光源、光路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；光路系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器、第一反射鏡、第二反射鏡、導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)出光纖、光電探測電路、數(shù)據(jù)處理電路；用于發(fā)射光波信號的光源通過導(dǎo)入光纖將光波信號導(dǎo)入導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器。本發(fā)明提供了一種利用低速波長調(diào)制實現(xiàn)了高頻的諧波探測、自動消除多種緩變干擾、自動消除諧振腔精細(xì)度下降造成的干擾的頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法。
【專利說明】一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜探測和光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光譜探測裝置及方法，尤其涉及一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在各種超高靈敏度的光譜探測技術(shù)中，基于無源諧振腔增強(qiáng)的技術(shù)是重要的一類。這一類方法的共同特征是:將待測樣品置于諧振腔內(nèi)，利用諧振腔對光波的多次反射來增加光與物質(zhì)作用的距離，從而增加光譜信號的幅度。
[0003]基于諧振腔增強(qiáng)的光譜探測技術(shù)可以分為以下幾類:①傳統(tǒng)腔衰蕩光譜，其中包括脈沖光源和連續(xù)光源兩種工作方式；②積分腔輸出光譜；③腔增強(qiáng)吸收光譜頻率調(diào)制光源腔衰蕩光譜；⑤光頻梳腔衰蕩光譜等。
[0004]在先技術(shù)之一，將一個光脈沖導(dǎo)入諧振腔，這個脈沖會在諧振腔兩個端面之間多次反射，每次反射的輸出功率都會比上一次降低。這個脈沖序列隨時間按指數(shù)規(guī)律變化，其中衰減的時間常數(shù)可以反映出腔內(nèi)待測樣品的光譜吸收。這種方法的缺點是，脈沖穿過兩個高反射率鏡面之后，只剩余很小一部分能夠到達(dá)光電探測裝置，增加了光電探測的困難。而且，為了探測極短的脈沖并從中提取出衰減常數(shù)，需要極高速的數(shù)字電路。
[0005]在先技術(shù)之二，將窄線寬的連續(xù)光波導(dǎo)入諧振腔，當(dāng)滿足駐波條件后迅速切斷光源，然后探測輸出光功率的衰減曲線。這種方法實際上是探測諧振腔的腔內(nèi)光子壽命，通過腔內(nèi)光子壽命可以計算出待測樣品的光譜吸收。這種技術(shù)被稱為連續(xù)波腔衰蕩光譜，可以達(dá)到很高的測量靈敏度，但是由于存在著光源縱模和諧振腔縱模之間失配的問題，需要價格昂貴的聲光調(diào)制器和高精度的穩(wěn)頻技術(shù)或者復(fù)雜的光源注入鎖定技術(shù)。
[0006]在先技術(shù)之三，將波長調(diào)制的光波注入諧振腔，同時用壓電陶瓷調(diào)制諧振腔的腔長，確保諧振腔縱模與光源縱模同步變化錯誤！未找到引用源。。這種方法是結(jié)合波長調(diào)制光譜和諧振腔增強(qiáng)光譜的一種常見手段。(波長調(diào)制光譜是一種廣泛應(yīng)用的高靈敏度光譜探測技術(shù)，可以很有效地進(jìn)一步提高靈敏度，更重要的是，可以消除掉很多緩變干擾。)這種技術(shù)的缺點在于，壓電陶瓷所能提供的調(diào)制頻率很低，限制了波長調(diào)制的頻率，因而限制了波長調(diào)制光譜性能的發(fā)揮。另外，腔長可調(diào)的諧振腔也是價格昂貴的。
[0007]在先技術(shù)之四，將波長掃描的連續(xù)光源注入諧振腔，通過計算腔衰蕩過程的時間積分反演腔內(nèi)光譜吸收。這種方法可以使用波長掃描的連續(xù)光源，單是不能與波長調(diào)制光譜相結(jié)合，而且測量靈敏度也不高。
[0008]在先技術(shù)之五，將波長掃描的光波注入諧振腔，然后將多次波長掃描的信號做平均處理。這種方法被稱作諧振腔增強(qiáng)光譜，雖然可以和波長調(diào)制光譜相結(jié)合，但是這種方法響應(yīng)速度慢，靈敏度也不高，只能算是低成本、低性能的方法。
[0009]在先技術(shù)之六，用極高的頻率調(diào)制光源波長，使光波的主頻和各個邊頻恰好都能穿過諧振腔的各個縱模。這種方式達(dá)到了非常高的靈敏度，在所有諧振腔光譜方法中是最高的。缺點在于高頻調(diào)制本身就是昂貴復(fù)雜的，而且還是存在光源與諧振腔之間縱模失配的問題。
[0010]在先技術(shù)之七，用一個鎖模激光器作為光源，使鎖模所產(chǎn)生的光頻梳的每一個頻率成分都可以穿過諧振腔的一個縱模。這種方法解決了傳統(tǒng)的脈沖光源腔衰蕩功率過低的問題，但是鎖模激光器本身并不便宜，而且也存在光源與諧振腔之間模式匹配的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置及方法。本發(fā)明可以應(yīng)用于實驗室的光譜測定和標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)常數(shù)測定，以及現(xiàn)場應(yīng)用的物質(zhì)濃度傳感、應(yīng)變及應(yīng)力傳感、溫度傳感等。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0013]1.一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置，其特殊之處在于:包括光源、光路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0014]上述光路系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器、第一反射鏡、第二反射鏡、導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器；
[0015]上述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)出光纖、光電探測電路、數(shù)據(jù)處理電路；
[0016]上述用于發(fā)射光波信號的光源通過導(dǎo)入光纖將光波信號導(dǎo)入導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器；
[0017]上述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過導(dǎo)出光纖接收光路系統(tǒng)的光波信號；
[0018]上述導(dǎo)出光纖與導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器相互連接。
[0019]上述光源發(fā)射的光波信號為經(jīng)過波長線性掃描的光波信號。
[0020]2.一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置的頻域腔衰蕩光譜探測方法，其特殊之處在于:步驟包括:
[0021]I】光源發(fā)出光波信號導(dǎo)入光路系統(tǒng)；
[0022]1.1]光源發(fā)出光波信號經(jīng)過導(dǎo)入光纖，到達(dá)導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器；
[0023]1.2]光波信號通過導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入光路系統(tǒng)；
[0024]2】光波信號在光路系統(tǒng)中反射；
[0025]2.1]光波信號通過導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器射出，穿過第一反射鏡，再穿過待測樣品并且被待測樣品吸收，到達(dá)第二反射鏡；
[0026]2.2]第二反射鏡輸出一部分光波，同時將大部分光波反射，被第二反射鏡反射的光波穿過待測樣品并被吸收，到達(dá)第一反射鏡；第一反射鏡泄漏掉一部分光波，將大部分光波反射穿過待測樣品，到達(dá)第二反射鏡；
[0027]2.2]多次重復(fù)步驟2.1]、步驟2.2]，最后穿過第二反射鏡的輸出信號是經(jīng)過多次反射互相干涉疊加的光波信號；
[0028]3】光波信號通過光路系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0029]3.1]光波信號再經(jīng)過導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器、導(dǎo)出光纖到達(dá)光電探測電路，被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?
[0030]3.2]電信號通過數(shù)據(jù)處理電路做傅里葉變換得到電信號頻譜；
[0031]4】 將頻譜中各次諧波信號的頂端連接起來得到一條曲線；通過以下公式(I)、(2)可以得到曲線:
【權(quán)利要求】
1.一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置，其特征在于:包括光源、光路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 所述光路系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器、第一反射鏡、第二反射鏡、導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器; 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括依次連接的導(dǎo)出光纖、光電探測電路、數(shù)據(jù)處理電路； 所述用于發(fā)射光波信號的光源通過導(dǎo)入光纖將光波信號導(dǎo)入導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器； 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過導(dǎo)出光纖接收光路系統(tǒng)的光波信號； 所述導(dǎo)出光纖與導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻域腔衰蕩光譜探測裝置，其特征在于:所述光源發(fā)射的光波信號為經(jīng)過波長線性掃描的光波信號。
3.基于權(quán)利要求1所述的頻域腔衰蕩光譜探測裝置的頻域腔衰蕩光譜探測方法，其特征在于:步驟包括: I】光源發(fā)出光波信號導(dǎo)入光路系統(tǒng)； `1.1]光源發(fā)出光波信號經(jīng)過導(dǎo)入光纖，到達(dá)導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器； `1.2]光波信號通過導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入光路系統(tǒng)； 2】光波信號在光路系統(tǒng)中反射； `2.1]光波信號通過導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器射出，穿過第一反射鏡，再穿過待測樣品并且被待測樣品吸收，到達(dá)第二反射鏡； `2.2]第二反射鏡輸出一部分光波，同時將大部分光波反射，被第二反射鏡反射的光波穿過待測樣品并被吸收，到達(dá)第一反射鏡；第一反射鏡泄漏掉一部分光波，將大部分光波反射穿過待測樣品，到達(dá)第二反射鏡； ` 2.2]多次重復(fù)步驟2.1]、步驟2.2]，最后穿過第二反射鏡的輸出信號是經(jīng)過多次反射互相干涉疊加的光波信號； 3】光波信號通過光路系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； `3.1]光波信號再經(jīng)過導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器、導(dǎo)出光纖到達(dá)光電探測電路，被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘? `3.2]電信號通過數(shù)據(jù)處理電路做傅里葉變換得到電信號頻譜； 4】將頻譜中各次諧波信號的頂端連接起來得到一條曲線；通過以下公式(I)、(2)可以得到曲線: 所述n是傅里葉系數(shù)的階數(shù)； 所述R是諧振腔端面反射鏡的功率反射率； 所述L是諧振腔的長度。 所述Tf是頻譜的衰減常數(shù)； 所述f是信號的頻率； 5】得到待測樣品的光譜吸收值；通過公式(3)可以從衰減常數(shù)Tf中反演出待測物質(zhì)的光譜吸收α ;公式(3)如下:
【文檔編號】G01N21/31GK103487392SQ201310468520
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】王允韜, 阮馳 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所