CN114839159B - 兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，在常规腔增强技术的光路结构中设置对激光传输导通状态进行切换的光开关，同时将光开关的调制频率配置为远高于激光波长的扫描频率，使得激光在谐振腔中发生谐振时有可能被迅速切断而得到腔衰荡信号，通过快速且持续地改变激光通断状态，就能使得通过谐振腔输出的信号中包括腔增强信号和腔衰荡信号，从而在单次测量中同步实现腔增强和腔衰荡功能。本发明提供一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其能在一次测量中同时获得腔增强和腔衰荡信号，兼容性更好，可操作性更强，适应性更好。

Description

兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法
技术领域
本发明涉及高温流场气体高灵敏度检测领域。更具体地说，本发明涉及一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法。
背景技术
激光吸收光谱技术在气体检测领域已经应用越来越广泛，其通过气体分子对特定波长激光产生吸收，利用吸收后激光强度的变化即可反演出气体的含量或温度等参数。在痕量气体检测领域，为提高激光吸收光谱技术的测量灵敏度，近年来基于谐振腔的吸收光谱增强技术备受重视。
谐振腔吸收光谱技术是在气体介质两端放置两片高反射率透镜(反射率一般大于99％)组成谐振腔，使得激光束在气体介质中来回反射多次，以达到吸收增强的目的，一般分为腔增强技术和腔衰荡技术两种。腔增强技术通过连续扫描激光波长或连续改变谐振腔长度，在探测器上形成一系列大量谐振透射峰，当谐振腔内有吸收介质时，大量透射峰将呈现介质吸收谱线形状，然后在已知谐振腔透镜反射率的基础上，根据吸收谱线强度可反演吸收介质含量。腔衰荡技术一般在激光器与探测器之间增加反馈控制，当探测器探测到透射峰值时立刻关闭激光，激光将在谐振腔内不断衰荡并持续一段时间，通过探测在有吸收介质和无吸收介质情况下激光在谐振腔中的衰荡寿命的差异，计算吸收介质含量。两者各有优劣，前者可以获得完整的气体吸收谱线形状，除了利用谱线强度反演气体含量外，还可以利用谱线宽度反演气体温度参数，但需要严格已知谐振腔的长度和高反镜的反射率参数。而后者不需要已知高反镜反射率参数，但难以获得谱线宽度信息，并且需要对产生衰荡信号的激光波长进行严格定标，以确定当前测量波长在气体介质吸收谱线形状中的位置。由于谐振腔吸收光谱技术对环境要求很高，往往在实验室内应用较多，而工业现场应用较少。
而在光谱测量时，如果需要测量腔增强信号和腔衰荡信号，通常需要采用两套设备完成测量或进行二次测量才能实现，而在风洞现场的高温流场气体检测领域，环境比较恶劣，有时因为不可控的灰尘沾染影响高反镜反射率参数导致测量结果不准确，有时又因环境震动和气流扰动造成激光谐振失败，故采用多次测量的方式会增加测量的难度，影响测量效果。
发明内容
本发明的一个目的是解至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，在常规腔增强技术的光路结构中设置对激光传输导通状态进行切换的光开关，同时将光开关的调制频率配置为高于激光波长的扫描频率，使得激光在谐振腔中发生谐振时有可能被迅速切断而得到腔衰荡信号，通过快速且持续地改变激光通断状态，就能使得通过谐振腔输出的信号中包括腔增强信号和腔衰荡信号，从而在单次测量中同步实现腔增强和腔衰荡功能。
优选的是，所述光开关的通断是通过与光开关相配合的信号发生器产生的调制信号进行控制。
优选的是，所述光开关被配置为采用声光调制器、电光调制器、光纤光光开关、光学斩波器中的任意一种。
优选的是，还包括与谐振腔吸收光谱测量方法相配合的谐振腔吸收光谱测量装置，所述光谱测量装置被配置为包括：
用于产生波长可调谐的激光器；
集成在激光器中或单独进行设置，以通过电信号对激光传输通路的通断状态进行切换的光开关；
与光开关或激光器连接，用于产生相应光开关控制信号的信号发生器；
与激光器输出光路相配合的谐振腔；
将谐振腔透射出的激光信号转换为电信号的光电探测器。
优选的是，在谐振腔与光电探测器之间设置有与将谐振腔透射出的激光束进行聚集，以提升探测信号强度的聚焦镜。
优选的是，光开关输出的激光通过孔径光阑对出射光束的大小进行控制；
所述谐振腔与孔径光阑之间通过相配合的光传输组件进而连通。
优选的是，所述光传输组件被配置为包括：
与孔径光阑相配合的第一透镜组；
设置在透镜组与谐振腔之间的反射镜组。
优选的是，可替换地，所述光传输组件被配置为包括：
与谐振腔相配合的第二透镜组；
光纤，其两端分别设置有与孔径光阑、第二透镜组相配合的光纤准直器。
优选的是，还包括与激光器、信号发生器、探测器通信连接的控制终端。
优选的是，所述谐振腔被配置为采用固定安装，以使通过改变激光波长的方式产生谐振。
本发明至少包括以下有益效果：1、本发明的方法在不需要改变或增减任何硬件的条件下，兼容腔增强技术和腔衰荡技术，可独立实现也可同步实现这两种技术，提高了谐振腔吸收光谱技术的使用灵活性，并且丰富了测量数据；
2、本发明的方法通过腔增强技术和腔衰荡技术的同步测量实现了两种技术的优势互补。腔衰荡数据可为腔增强技术提供实时准确的谐振腔反射率参数，避免在试验过程中不可控的灰尘沾染等因素造成反射率参数变化而导致腔增强技术的数据处理结果不准确。腔增强数据又可以得到完整的气体介质吸收谱线形状，为腔衰荡技术直接提供准确的波长定标，而不需要额外手段进行波长标定和控制。
3、本发明的方法所用装置结构简单稳定，不需要对谐振腔长度进行精密调谐，也不需要对激光器进行复杂的反馈控制，有利于工业现场环境应用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量装置示意图的结构示意图；
图2：为本发明的进行腔增强和腔衰荡同步测量的声光调制器调制信号示意图；
图3：为本发明进行腔增强和腔衰荡的同步测量结果；
图4：为本发明的另一个实施例中使用光纤传输方式的谐振腔吸收光谱测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为实现谐振腔技术在高温流场气体检测领域的有效应用，本发明提供一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量装置，其思想是通过在常规腔增强技术的光路结构中增加高速光开关调制，且激光开关调制频率远高于(大于100倍)激光波长扫描频率，将激光在谐振腔中发生谐振时随机而迅速地关闭，使得谐振腔的输出信号既包括腔增强信号又包括腔衰荡信号，从而同步实现腔增强技术和腔衰荡技术。如图1、4所示，兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量装置主要包括如下部分：
波长可调谐激光器1，产生波长可调谐的激光，用于气体介质吸收光谱测量，在实际应用中，激光器包括但不限于分布反馈式(DFB)、外腔式(ECDL)、垂直腔面发射式(VCSEL)、量子级联式(QCL)等输出激光波长可调谐的任何激光器；
高速光开关2，可通过电信号控制对激光传输进行快速切断和导通的装置，在实际应用中，高速光开关包括但不限于声光调制器、电光调制器、光纤光开关、光学斩波器等具有光导通和切断功能的装置，更进一步的，如果所述激光器自身具备高速光开关调制功能，则本发明装置可不必使用高速光开关，而将信号发生器直接作用于激光器即可，更进一步地，激光器与声光调制器之间还需要设置相配合的光隔离器12，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路***产生的不良影响，可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。
信号发生器3，产生高速光开关的控制信号。
谐振腔4，其由相对放置的两片高反射率凹面透镜组成，用于约束激光在其内部多次往返传输，增加气体介质对激光的吸收。当激光在谐振腔内产生谐振时，透射信号出现极大值，在实际的应用中，谐振腔采用固定安装，激光的谐振是通过改变激光波长的方式产生，而不是通过调谐谐振腔长度的方式产生。
聚焦镜5，用于将谐振腔透射的激光束聚焦至探测器感应面上，提高探测信号强度，在实际应用中，聚焦镜一般采用抛物面反射镜，也可以采用透镜、球面反射镜、光纤准直器等其它具有光束聚焦作用的器件。
光电探测器6，用于将谐振腔的透射激光信号转换为电信号，实现光谱信号测量。
进一步地，为提高该装置使用灵活性，可以根据需要设置相配合的第一透镜组9与反向镜组10的配合，实现光路上光的整理和传输；装置中的激光也可通过光纤7方式传输，且在采用光纤传输时，需要设置相配合的光纤准直器8，同时在光纤准直器与谐振腔之间可以设置相配合的第二透镜组13，且探测器与谐振腔之间也同样的设置光纤准直器，而不需要设置相配合的聚焦镜，即通过光纤准直器提高光输入输出的耦合效率。
进一步地，在实际应用时，经高速光开关输出的光信号通过小孔光阑11对输出的激光束大小进行控制，以使其更好的与光纤准直器或者第一透镜组进行配合。
为更加适应工业现场环境，所述装置可整体集成于光学平台上或机柜中，激光器、信号发生器、探测器等光电器件的控制均可通过计算机远程操作，实现对整个操作过程控制的智能化，提高可操作性。
为兼容腔增强技术和腔衰荡技术，本发明的实现方式如下：
激光器输出激光，并设置其波长围绕气体介质中心吸收谱线进行线性扫描，激光经过高速光开关后进入谐振腔，调节谐振腔两片高反镜角度使得激光产生谐振输出，输出光最后经聚焦镜聚焦后被探测器接收。如果信号发生器产生信号使高速光开关一直处于通光状态，则此时装置实现腔增强技术功能，如果信号发生器产生开关调制信号使高速光开关不断在通光与不通光状态之间快速切换，则此时装置同步实现腔增强技术功能和腔衰荡技术功能。如果激光器输出激光的波长不进行线性扫描，而是固定波长，且信号发生器输出开关调制信号，此时该装置实现独立的腔衰荡技术功能。
实施例1：该实施例以氧分子测量为例，详细阐述利用本发明装置同步获取腔增强技术测量信号和腔衰荡技术测量信号的过程和优点。
装置如图1所示，以外腔可调谐激光器(ECDL)作为波长可调谐光源，以声光调制器配合小孔光阑作为高速光开关，以抛物面反射镜作为聚焦镜，为提高测量稳定性，装置还增加了隔离器、透镜组、反射镜等辅助部件。激光器将其输出激光的波长围绕氧分子760nm谱线做锯齿波形状的线性扫描，扫描频率为10Hz。激光经隔离器后进入声光调制器，将声光调制器通电，并调节其与入射激光夹角使得+1级衍射光最强，此时输出基本只包括+1级光和0级光，用小孔光阑遮挡0级光。激光再经透镜组准直后进入谐振腔，谐振腔输出激光束被抛物镜聚焦后用一个高速硅基光电探测器(探测器带宽10MHz)探测转换为电压信号，最后用示波器显示探测信号。在该实施例中，谐振腔由两片反射率约99.7％、焦距0.5米的凹面镜构成，谐振腔长度0.5米。实施过程中，为优化光路，一边微调透镜组的间距、谐振腔高反镜的角度、抛物镜角度等参数，一边观察示波器显示信号，当得到最强、最稳定的谐振信号后固定所有调节部件。光路结构调整好之后，信号发生器产生如图2所示的方波脉冲信号对声光调制器进行开关调制，方波的高电平将使声光调制器处于通电状态，而低电平则使其处于断电状态，方波频率为100kHz，脉冲信号的占空比为2:8(即在一个调制周期内，声光调制仅在20％时间内处于通电工作状态)。当声光调制器通电工作时+1级衍射光通过小孔光阑正常进入谐振腔，并被探测器探测，而当声光调制器处于断电状态时只产生0级光，此时激光被小孔光阑遮挡，谐振腔没有激光输入，达到关闭激光的目的。
图3是实施上述过程后的测量结果，其中(a)是将声光调制器持续通电工作时的腔增强测量信号，其由大量密集的谐振线组成，每根谐振线的位置具有一定随机性，可以看到谐振信号整体呈现非常明显的吸收凹陷，描绘了氧分子的完整吸收谱线形状，其中凹陷最低点即为氧分子吸收谱线的中心波长。经过简单换算可得到，腔增强信号的吸收率约1.3，而不使用谐振腔时的氧分子理论吸收率仅0.003，因此采用谐振腔吸收光谱技术使得测量信号增强了约433倍。图3(b)是将声光调制器按图2所示脉冲方波调制后的探测器测量信号，可看到，测量信号仍然保持有图3(a)类似的吸收凹陷，即腔增强信号，将信号图局部放大后还可以看到图3(d)-(f)所示的腔衰荡信号。作为对比，放大图3(a)得到图3(c)所示的纯腔增强信号单根谐振线，可看到谐振线呈左右大致对称形式。因此图3(b)的大量谐振线既整体展示了腔增强信号，单根谐振线又体现了腔衰荡信号，即只通过设置声光调制器的控制信号就同时实现了腔增强技术和腔衰荡技术，使得一次测量就能获得两种技术测量数据。
这是因为激光的开关频率远高于波长扫描频率，同时谐振线又非常密集，使得在激光波长对介质吸收谱线进行一次扫描时，非常容易在任意波长位置寻找到激光被突然关闭时的谐振线，从而获得激光在谐振腔内的衰荡曲线(即图3(d)-(f)所示)，实现了腔衰荡技术。由于在激光波长的一次扫描过程中，激光80％时间处于关闭状态，因此既包括腔增强数据又包括腔衰荡数据的图3(b)比仅有腔增强数据的图3(a)更稀疏。
常规腔衰荡技术往往需要利用反馈控制技术使得谐振信号处于谐振线峰值时迅速关闭激光输出，获得某一波长时的衰荡曲线，然后再改变激光波长，重复测量过程，以获得不同波长的衰荡曲线，最后合成吸收谱线形状。而且由于激光控制精度和重复精度有限，并受环境因素影响，为获得衰荡曲线对应的准确波长，在试验过程中一般需要对激光波长进行实时监测或标定。本发明装置则利用激光高速开关调制，对谐振线进行随机切断，可一次性获得不同波长位置处的衰荡曲线，而且测量信号仍然具有腔增强技术的信号形式，完整展现了气体介质的吸收谱线形状，使得每根衰荡曲线都直接对应到确切的谱线波长，而不需要进行额外波长标定。比如图3(f)的衰荡曲线来源于谱线吸收最强位置，因此其对应于谱线的中心波长，图3(d)和图3(e)的衰荡曲线分别来源于谱线基底(即未发生吸收)和谱线腰，其绝对波长值可通过计算与中心波长的相对位置获得。
此外，由于利用腔衰荡曲线可以容易计算出谐振腔高反镜的反射率，通过本发明装置相当于对反射率进行了实时测量，使得基于腔增强数据反演气体含量时，不再需要对反射率参数进行额外测量，也避免了试验过程中环境污染等偶然因素对反射率造成的不确定性影响。因此本发明装置不仅兼容腔增强技术和腔衰荡技术，而且实现了它们的优势互补，具有良好的应用价值。
实施例2：该实施例采用光纤传输方式，将谐振腔***与激光器***和探测器***分离，使该装置适用于远距离测量或不便布局复杂光路的工业现场环境。
激光及其开关调制部分的光路结构与实施例1类似，如图4所示，但激光经过小孔光阑后被光纤准直器耦合进入光纤中，经光纤传输至气体检测区域后，再用光纤准直器输出至透镜组进行谐振模式匹配，并进入谐振腔用于气体检测，最后又被光纤准直器耦合入光纤传输至探测器。该实施例仅展示本发明装置应用于工业现场测量的一种光路结构方案，其测量过程与实施例1相同。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，在常规腔增强技术的光路结构中设置对激光传输导通状态进行切换的光开关，同时将光开关的调制频率配置为高于激光波长的扫描频率，使得激光在谐振腔中发生谐振时有可能被迅速切断而得到腔衰荡信号，通过快速且持续地改变激光通断状态，就能使得通过谐振腔输出的信号中包括腔增强信号和腔衰荡信号，从而在单次测量中同步实现腔增强和腔衰荡功能；
其中，所述光开关的调制频率被配置为大于100倍激光波长的扫描频率。
2.如权利要求1所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，所述光开关的通断是通过与光开关相配合的信号发生器产生的调制信号进行控制。
3.如权利要求1所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，所述光开关被配置为采用声光调制器、电光调制器、光纤光开关、光学斩波器中的任意一种。
4.如权利要求1所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，还包括与谐振腔吸收光谱测量方法相配合的谐振腔吸收光谱测量装置，所述光谱测量装置被配置为包括：
用于产生波长可调谐的激光器；
集成在激光器中或单独进行设置，以通过电信号对激光传输通路的通断状态进行切换的光开关；
与光开关或激光器连接，用于产生相应光开关控制信号的信号发生器；
与激光器输出光路相配合的谐振腔；
将谐振腔透射出的激光信号转换为电信号的光电探测器。
5.如权利要求4所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，在谐振腔与光电探测器之间设置有与将谐振腔透射出的激光束进行聚集，以提升探测信号强度的聚焦镜。
6.如权利要求4所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，光开关输出的激光通过孔径光阑对出射光束的大小进行控制；
所述谐振腔与孔径光阑之间通过相配合的光传输组件进而连通。
7.如权利要求6所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，所述光传输组件被配置为包括：
与孔径光阑相配合的第一透镜组；
设置在透镜组与谐振腔之间的反射镜组。
8.如权利要求6所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，可替换地，所述光传输组件被配置为包括：
与谐振腔相配合的第二透镜组；
光纤，其两端分别设置有与孔径光阑、第二透镜组相配合的光纤准直器。
9.如权利要求4所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，还包括与激光器、信号发生器、探测器通信连接的控制终端。
10.如权利要求4所述的兼容腔增强技术和腔衰荡技术的谐振腔吸收光谱测量方法，其特征在于，所述谐振腔被配置为采用固定间距安装，以使通过改变激光波长的方式产生谐振。
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