CN105938094B - 折叠型腔衰荡及腔增强吸收光谱***中纹波效应消除方法 - Google Patents

折叠型腔衰荡及腔增强吸收光谱***中纹波效应消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种折叠型腔衰荡及腔增强吸收光谱***中纹波效应的消除方法，属于新型激光吸收光谱技术领域。本发明源于折叠型腔衰荡光谱***中纹波效应产生机理的分析和研究，其本质是折叠型腔衰荡及腔增强激光光谱扫描过程中，通过保持折叠腔内往返两谐振光束在折叠高反镜表面的干涉状态，使得折叠腔高反镜处的损耗保持恒定，由此达到实现消除纹波效应的目的。本发明方法简单且易于实现，可有效提高折叠型腔衰荡及腔增强光谱***的性能，对于促进和推动其应用具有重要意义。

Description

折叠型腔衰荡及腔增强吸收光谱***中纹波效应消除方法
技术领域
本发明涉及折叠型腔衰荡及腔增强吸收光谱***中的纹波效应消除方法，它属于新型激光吸收光谱技术领域。
背景技术
腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy，以下简称为CRDS)及腔增强吸收光谱(Cavity enhanced-absorption spectroscopy，以下简称为CEAS)技术是近些年来兴起的一种新型高灵敏度吸收光谱技术。CRDS及CEAS***中，核心器件是低损耗的光学谐振腔，CRDS及CEAS进行光谱测量的前提是外部激光在光学谐振腔内形成谐振，利用光学谐振腔的路径增强效应提高吸收光谱测量精度，因此，光学谐振腔的性能直接关系到光谱***的最终精度。在过去研究和应用中，绝大多数CRDS及CEAS***都不约而同地采用直腔或环形腔结构，而对折叠型结构研究甚少。这种情况的出现除了与折叠型CRDS及CEAS***的结构相对复杂、折叠腔加工及调节精度要求高等因素有关以外，还与该类型***中存在的一种特殊物理现象—纹波效应有关，纹波效应的出现使得CRDS及CEAS***测得的光谱数据处理变得复杂、***的测量灵敏度降低【详细情况请见：Tan Zhongqi,et al.,Spectrum dataprocessing in optical-feedback cavity ring-down spectroscopy[J].High PowerLaser and Particle Beams,2014,26(10):26101006】。所谓纹波效应，是指折叠型CRDS及CEAS***测得的折叠腔总损耗值随着激光波长的扫描出现类似正弦的周期性变化的现象，有关该纹波效应的报导最早可追溯到1999年，D.Romanini等人在他们最早建立的光反馈折叠型CRDS***的实验研究中首先观察到此现象，但当时他们仅把这种现象看成一种测量噪声，并未对其进行探讨。2004年起，J.Morville等人在光反馈CRDS以及CEAS***的研究中再次提及该现象，对它进行了较为详细的描述，并对该效应的起因进行了较为深入的分析，但并未能提出普适性的消除该效应的方法。目前，有关折叠型CRDS及CEAS技术研究的绝大部分研究都集中在法国D.Romanini和J.Morville等人的团队，国内国防科大课题组龙兴武、谭中奇等人以及重庆大学万福等人也进行过相关研究工作。需要说明的是，不同于国外相关研究中通常采用的调谐激光器频率来实现激光在折叠腔内谐振的方式，国内龙兴武、谭中奇等人通过扫描折叠腔单臂长度进而改变折叠腔谐振频率位置的方式实现激光在折叠腔内的谐振，这种方式的优势在于能进一步提升CRDS以及CEAS***的光谱分辨率，使其不再受折叠腔自由光谱范围的约束。
折叠型CRDS及CEAS技术虽因纹波效应的存在而影响其性能，但这种方案也有其它腔结构所不具备的优势，特别是折叠型CRDS及CEAS可利用激光在折叠高反射率镜片(简称为折叠高反镜)处的光反馈效应进行激光器的线宽压榨及频率锁定，可有效提高***的信号强度以及信噪比、减少测量时间，这些均有利于***性能的提高。综上所述可知，如何有效消除折叠腔***中的纹波效应对于CRDS及CEAS***的研究和应用有着重要的意义。2015年，谭中奇等人提出通过增大折叠腔的折叠角度以及保持折叠高反镜表面洁净度等办法来减弱纹波效应的方法【国家发明专利，一种折叠型腔衰荡光谱***中纹波效应的减弱方法，申请号：201510348565.3】，该方法虽在很大程度上能有效避免纹波效应影响光谱测量结果，但毕竟只能减弱纹波效应的幅值，无法完全消除纹波效应，因此，有关纹波效应的处理仍旧是一个值得深入研究和探索的难题。
发明内容
本发明针对折叠型CRDS及CEAS***中出现的纹波效应，基于该效应产生机理的分析和研究，提出消除折叠型CRDS及CEAS***中纹波效应的方法，以期待消除纹波效应对于这类光谱***测量的影响，进一步提升这类新型光谱技术的性能。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：一种折叠型腔衰荡及腔增强光谱***中纹波效应消除方法，该方法分为以下两个步骤：
步骤一、在腔衰荡以及腔增强吸收光谱测量中，采用扫描折叠腔腔长的方式来实现激光在折叠腔内的谐振；
步骤二、在腔衰荡以及腔增强吸收光谱实际测量过程中，控制折叠腔的腔长随着激光波长的扫描而变化，使得折叠腔内往返两谐振光束在折叠高反镜表面处的干涉状态保持不变，从而保持折叠腔高反镜处的损耗不变，达到消除纹波效应的目的。
上述折叠型腔衰荡及腔增强光谱***中纹波效应的消除方法具体如下：对于一个如附图2所示的腔衰荡以及腔增强吸收光谱***，在折叠腔的两个端面高反镜后均安装程长控制器5a和程长控制器5b，先通过其中一个程长控制器5a扫描折叠腔的腔长来实现激光在折叠腔内的谐振；然后在腔衰荡以及腔增强吸收光谱测量过程中的激光波长λ扫描时，通过折叠腔另一个程长控制器5b改变折叠腔另一个单臂的长度L2，使得折叠腔内往返的两谐振光在折叠高反镜处的相位差Δφ＝4πL2/λ的余弦值cos(Δφ)恒定，实现折叠腔内往返两谐振光束在折叠高反镜表面处的干涉状态保持不变，从而保持折叠腔高反镜处的损耗不变，达到消除纹波效应的目的。
上述折叠型腔衰荡及腔增强光谱***中的纹波效应消除还可以采用下述具体方法：对于一个如附图2所示的腔衰荡以及腔增强吸收光谱***，设计加工折叠腔两臂长度相对误差小于0.25％，在折叠腔的两个端面高反镜后均安装程长控制器5a和程长控制器5b，两程长控制器5a和5b以相同频率、相同振幅、相同相位改变折叠腔的腔长，实现激光在折叠腔内的谐振；然后在腔衰荡以及腔增强吸收光谱测量过程中的激光波长λ扫描时，折叠腔内往返的两谐振光在折叠高反镜处的相位差Δφ＝4πL1/λ＝2π·N-4πL2/λ的余弦值cos(Δφ)保持恒定(L1、L2为折叠腔两臂长度，N为整数)，从而保持折叠腔高反镜处的损耗不变，达到消除纹波效应的目的。
相比于其它折叠型CRDS及CEAS***中纹波效应的处理方法，本发明具有以下优点：
(1)有效消除纹波效应，而非减弱该效应，可最终消除其对光谱数据测量影响；
(2)在现有的***软硬件条件下，只需进行少量的改变，即可有效实现该方法；
附图说明
图1为本发明原理示意图。其中，折叠腔由折叠高反镜与两片端面高反镜a、b构成，折叠角为θ，L1、L2为折叠腔的两臂长度，E1、E2为折叠腔内往返的两谐振光，两者在折叠高反镜表面处的相位差为Δφ＝4πL1/λ＝2π·N-4πL2/λ，λ为折叠腔内谐振光波长、N为整数。
图2为本发明具体方式1的示意图。其中，1为***控制电路(1a、1b、1c和1d为输入输出端口)、2为DFB激光器；3为可调光隔离器；4a为折叠高反镜，4b、4c为端面高反镜，5a为中心设有通光孔的程长控制器、5b为程长控制器，6为光电探测器；图中4a、4b、4c三片高反镜组成折叠腔，折叠角为θ，L1、L2为折叠腔的两臂长度。
图3为本发明具体方式2与未采用本发明方法时测试结果的对比图。
具体实施方式
为清楚阐述本发明，结合图1、图2和图3阐述本发明所述方法的两种较佳的实施方式。
图1为本发明原理示意图。其中，折叠腔由折叠高反镜与端面高反镜a和端面高反镜b构成，为“V”型对称结构，折叠角为θ，L1、L2为折叠腔的两臂长度，E1、E2为折叠腔内往返的两束谐振光，两者在折叠高反镜处的相位差为Δφ＝4πL1/λ＝2π·N-4πL2/λ，λ为折叠腔内谐振光波长、N为整数。
图2为本发明具体方式1的示意图。其中，1为***控制电路、2为DFB激光器；3为可调光隔离器；4a为折叠高反镜；4b、4c为端面高反镜，5a为中心设有通光孔的程长控制器、5b为程长控制器，6为光电探测器；在***控制电路1的端口1b驱动下，DFB激光器2发射的准直单色激光(频率为v)通过可调光隔离器3后，从折叠高反镜4a处入射到由折叠高反镜4a和两片端面高反镜4b、4c组成的折叠腔内，所述折叠腔为“V”型对称结构，折叠角度为θ，L1、L2为折叠腔的两臂长度。在所述端面高反镜4b和端面高反镜4c的背面，分别粘有程长控制器5a(中心设有通光孔)以及程长控制器5b，所述程长控制器均采用压电陶瓷制作，其中程长控制器5b在***控制电路1的端口1a输出的三角波电压驱动下沿着折叠腔腔内的谐振光路方向推拉端面高反镜4c，使得所述折叠腔单臂长度L2发生周期性变化，由此导致折叠腔的谐振频率随之变化，当DFB激光器2发射的单色激光频率v与折叠腔的谐振频率匹配时，激光将在折叠腔内形成谐振。此时，对于CRDS测量而言，***控制电路1通过端口1b快速关断DFB激光器2的注入电流，并利用端口1c采样测量光电探测器6的信号，利用单指数拟合该信号得到所述信号的衰减时间后，根据折叠腔的腔长求得该激光频率v处的折叠腔损耗值δ(v)，***控制电路1通过端口1b改变DFB激光器2的注入电流或者工作温度，使得DFB激光器2的激光频率单调增大或减少，每次的频率变化量为△v，同时通过端口1d驱动中心设有通光孔的程长控制器5a，沿着折叠腔腔内的谐振光路方向推拉端面高反镜4b使得折叠腔单臂长度L1单调减少或增大变化量为△L，且cos(4π·L1·v/c)＝cos[4π·(L1+ΔL)·(v+Δv)/c]，再重复上述谐振和测量过程，得到另一个激光频率处的折叠腔损耗值δ(v+△v)，如此重复，直至测得消除纹波后所需的光谱区域折叠腔损耗谱；CEAS不同于CRDS的地方在于：CEAS测量的折叠腔谐振时光电探测器6的透射光强I(v)值，而非腔衰荡时间，通过折叠腔谐振透射光谱，获得光谱信息，利用本发明具体方式1可以得到消除纹波后的光谱数据。
图2还可以示意本发明具体实施方式2。如图2所示，在***控制电路1的1b端口驱动下，DFB激光器2发射的准直单色激光(频率为v)通过可调光隔离器3后，从折叠高反镜4a处入射到由折叠高反镜4a和两片端面高反镜4b、4c组成的折叠腔内，所述折叠腔为“V”型对称结构，折叠角度为θ，L1、L2为折叠腔的两臂长度，且|(L1-L2)/(L1+L2)|＜0.25％。所述折叠腔两端面高反镜4b和4c后，分别粘有中心设有通光孔的程长控制器5a以及程长控制器5b，本实施中的两程长控制器均采用压电陶瓷制作，***控制电路1的端口1a发出的三角波电压驱动信号连接至中心设有通光孔的程长控制器5a上，1d端口发出的三角波驱动信号连接至程长控制器5b上，使得中心设有通光孔的程长控制器5a以及程长控制器5b以相同频率、相同幅值、相同相位沿着折叠腔腔内的谐振光路方向推拉端面高反镜4b和端面高反镜4c，由此导致折叠腔的谐振频率位置随之变化，当DFB激光器2发射的单色激光频率v与折叠腔的谐振频率匹配时，激光将在折叠腔内形成谐振。此时，对于CRDS测量而言，***控制电路1通过1b端口快速关断DFB激光器2的注入电流，并同时利用端口1c测量采样光电探测器6的信号，利用单指数拟合该信号得到其衰减时间后，根据折叠腔的腔长求得该激光频率v处的折叠腔损耗值δ(v)，***控制电路1通过改变DFB激光器2的注入电流或者工作温度，使得其激光频率单调增大或减少，变化量为△v，再重复上述谐振和测量过程，得到另一个激光频率处的折叠腔损耗值δ(v+△v)，如此重复，直至测得消除纹波后所需的光谱区域折叠腔损耗谱；CEAS不同于CRDS的地方在于：CEAS测量的折叠腔谐振时光电探测器6的透射光强I(v)值，而非腔衰荡时间，通过折叠腔谐振透射光谱，获得光谱信息，，利用本发明具体方式2可以得到消除纹波后的光谱数据。
为验证本发明具体方式2的有效性，搭建折叠型CRDS***进行对比验证实验，有关实验***的详细描述，请见文献【Zhongqi Tan,et al.,Spectral ripple effect incontinuous-wave fold-type cavity ring down spectroscopy[J].Journal of theOptical Society of America B-Optical Physics,2010,25:2727～2730】，该CRDS验证***采用窄线宽DFB激光器作为光源，通过DFB激光的电流和温度调谐实现光谱扫描，不同于所述文献之处在于，本次验证实验采用的折叠腔两端面镜均安装有由压电陶瓷所指的程长控制器，其中一个压电陶瓷程长控制器中心带有通光孔，主要用于折叠腔内谐振光束的探测，折叠腔两臂长度利用万能工具显微镜测得分别为244.375mm和244.157mm，满足|(L1-L2)/(L1+L2)|≈0.2％＜0.25％。采用本发明具体方式2以及常规方式进行CRDS对比测量，结果如图3所示，其中图3(A)为常规方式CRDS***所采用的单独推拉折叠腔端面高反镜4b或者端面高反镜4c后的压电陶瓷时，利用CRDS技术测得的折叠腔CRDS光谱。从该图中可清晰看到常规CRDS***所测量光谱数据中存在的周期性波动的纹波效应；图3(B)则是按照本发明具体方式2，以相同的相位、频率和振幅扫描折叠腔的腔长，并利用腔衰荡技术测得的折叠腔CRDS光谱。从该图可看到原本明显的纹波效应已消除，没有出现周期性的波动信号，该对比实验验证了本发明的有效性。
以上是发明人给出的本发明两个实现的具体例子，但本发明并不局限于该实例。只要是在本发明技术方案结构上做的简单变化，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种折叠型腔衰荡及腔增强光谱***中纹波效应消除方法，其特征在于该方法分为以下两个步骤：
步骤一、在腔衰荡以及腔增强吸收光谱测量中，采用扫描折叠腔腔长的方式来实现激光在折叠腔内的谐振；
步骤二、在腔衰荡以及腔增强吸收光谱实际测量过程中，控制折叠腔的腔长随着激光波长的扫描而变化，使得折叠腔内往返两谐振光束在折叠高反镜表面处的干涉状态保持不变，从而保持折叠腔高反镜处的损耗不变，达到消除纹波效应的目的。
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