CN116539281A - 一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及腔衰荡光谱技术领域，尤其涉及一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，包括激光光源、准直匹配对准光路、无源三角谐振腔、聚焦镜、探测器和数据采集记录分析机构，无源三角谐振腔上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构。本发明还提供了一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，包括S1：使环形腔光路满足闭合光轴特性；S2：使激光光源与无源三角谐振腔满足初步对准条件；S3：使无源三角谐振腔满足谐振条件并建立阈值光强；S4：谐振建立后实现波长扫描；S5：获取失调信息。本发明可解决现有腔衰荡光谱装置在谐振建立后仍存在相应失调误差，影响谐振峰值的大小，缺乏相应信息指导对准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及腔衰荡光谱技术领域，尤其涉及一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置及测量方法。
背景技术
腔衰荡光谱装置由于具有快速(微秒)、便携(轻量化设计后可装入背包)、高光谱分辨率(几MHz)、高精度(可达ppbv)的优势，可在各种常规或极端环境下用来测量各种痕量气体的浓度。腔衰荡光谱装置的应用领域通常覆盖有大气地面环境监测、生命医学诊断、深海资源探测、工业过程控制、燃烧诊断等。
现有的腔衰荡光谱装置的核心结构光学谐振腔多采用直腔结构，直腔具有稳定性强、装调便捷等优势，却存在无法有效抑制光反馈、存在标准具效应等劣势。采用三角腔的腔衰荡光谱装置有效改善这些问题，但同时却带来了装调过程复杂，对准精度低、稳定性差等问题，因此，如何有效的获取三角谐振腔中存在的装调误差具有重要的意义。
现有的装调方案通常首先需要实现环形腔的对准，多选取三脚调节座或其他角度的微调机构，并依据参考光路或其他辅助标准件进行微调；在微调过程中，为了实现光源光路与腔内光路的对准，调节过程具有随机性，无法获取准确的失调误差信息；因此在使用过程中出装调误差后无法实时消除，需要返厂再装，极大的影响了仪器的环境适用性和可维修性。
现有技术中，有如下现有技术公开了有关腔衰荡光谱测量技术方案。
1、公开号为“CN114235706A”，名称为“一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置”的中国专利，公开了一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，该装置能够在衰荡腔的调试过程中保证其高精细度、高稳定性、高密封性以及高刚性的高质量装校。但并未涉及三角腔衰荡光谱装置失调误差获取技术方案。
2、公开号为“CN109580541A”，名称为“一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法”的中国专利，涉及的腔衰荡光谱测量装置及方法能够提高测量精度。但同样未涉及三角腔衰荡光谱装置失调误差获取技术方案。
综上所述，如何提出一种三角腔衰荡光谱装置中可以实现分平面、定向、高精度对准的失调误差获取装置及方法，是当下亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置及测量方法，可解决现有腔衰荡光谱装置在谐振建立后仍存在相应失调误差、影响谐振峰值大小、高精度装调具有随机性、缺乏相应信息指导对准等问题，可实现分平面、定向、高精度对准。
为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，包括沿光源入射方向至光源出射方向依次设置的激光光源、准直匹配对准光路、无源三角谐振腔、聚焦镜、探测器和数据采集记录分析机构；激光光源包括光源部分和波长调谐部分，用以实现光源的出射和光源波长的扫描；无源三角谐振腔用以接收光源能量实现谐振峰值的建立，准直匹配对准光路用以将光源的光束特性与无源三角谐振腔的光束特性进行匹配；探测器用于获取无源三角谐振腔出射光的能量；数据采集记录分析机构用于获取光源光轴与无源三角谐振腔内光轴之间的倾斜与轴平移误差；无源三角谐振腔上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构，谐振建立机构用于扫描腔长并使无源三角谐振腔满足谐振条件，腔长伺服控制机构用以实现腔长调节。
优选的，无源三角谐振腔包括平面镜结构的第一腔镜、第一腔镜和曲面结构的第三腔镜，第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜之间的光路形成三角腔闭合光轴回路；谐振建立机构包括粘结在第三腔镜上的压电陶瓷，腔长伺服控制机构与压电陶瓷连接，通过腔长伺服控制机构控制压电陶瓷实现腔长调节。
优选的，准直匹配对准光路包括与激光光源连接的准直镜组和与无源三角谐振腔连接的对准镜组，准直镜组和对准镜组之间沿光路方向设有匹配镜组和分光镜。
优选的，对准镜组包括平行设置的第一对准镜组和第二对准镜组，分光镜处的第一光束入射至对准镜组后，经过第一对准镜组和第二对准镜组两次对准后平行射出至无源三角谐振腔内。
优选的，分光镜与腔长伺服机构之间还连接有参考光调制机构，分光镜处的第二光束通过参考光调制机构加入频率边带，与无源三角谐振腔中出射的光束混频，用以实现腔内频率与光源频率的稳定匹配。
优选的，对准镜组与无源三角谐振腔之间包括光放大器，用以增强无源三角谐振腔内谐振频率处的透射光能量。
优选的，无源三角谐振腔还包括进气口、出气口、气体过滤器、腔温度测量器和腔压力测量器。
一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，采用上述测量装置进行测试，包括如下步骤：
S1：使环形腔光路满足闭合光轴特性：通过设计三角腔闭合光轴回路中三角腔的腔长、腔角及第三腔镜的曲率满足谐振腔稳定条件及闭合光轴条件；
S2：使激光光源与无源三角谐振腔满足初步对准条件：激光光源出射的光依次通过准直镜组和匹配镜组的中心，经过分光镜的第一光束再经对准镜组进入无源三角谐振腔谐振腔内第一腔镜的中心，与无源三角谐振腔内的光轴实现初步对准。
S3：通过腔长伺服控制机构使无源三角谐振腔满足谐振条件并建立阈值光强；
S4：谐振建立后，光源实现一个自由光谱范围的波长扫描，通过数据采集记录分析机构记录一个波长范围内的透射光强信息；
S5：通过透射光强度数据获取失调信息。
优选的，光源出射的光经过匹配镜组和对准镜组进入无源三角谐振腔内，步骤S3中当无源三角谐振腔不满足谐振条件时，光经过聚焦镜后被探测器接收的光能量弱，探测器不发生响应；此时腔长伺服控制机构控制压电陶瓷并实现腔长调节；当无源三角谐振腔满足谐振条件时，无源三角谐振腔内的光能量迅速累积，探测器实现出射光强的建立。
优选的，S5中以初次达到谐振时的峰值为零点，并选取与下一个峰值之间的两个子峰值进行分析；两个子峰值为TEM01模和TEM10模，TEM01模和TEM10模的谐振频率分别通过公式(1)和公式(2)计算求得：
其中，FSR为无源三角谐振腔的自由光谱范围，L为无源三角谐振腔的腔长，R为第三腔镜的曲率半径。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1、本发明可解决腔衰荡光谱装置在谐振建立之后，常规对准方法的随机性，可避免存在相应失调误差而影响谐振峰值的大小，可实现分平面、定向、高精度对准的失调误差获取，极大的提高的装调的速率。
2、本发明中无源三角谐振腔内第一腔镜、第二腔镜和第三腔镜之间的光路形成三角腔闭合光轴回路，可弥补直腔光反馈的影响，实现光轴的对准。
3、本发明中的腔长伺服控制机构可控制粘接在第三腔镜上的压电陶瓷实现腔长调节，在腔长扫描过程中满足谐振条件时，腔内光能量迅速累积，探测器可实现出射光强的建立；同时，可利用参考光调制机构将第二光束中加入频率边带，与无源三角谐振腔中出射的光束混频，实现腔内频率与光源频率的长时间的稳定匹配，克服光源波动带来的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的无源三角谐振腔的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的匹配镜组的结构示意图。
图4是本发明实施例中提供的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法的步骤流程示意图。
附图标记：
激光光源1、准直镜组2、匹配镜组3、分光镜组4、对准镜组5、无源三角谐振腔6、第一腔镜7、第二腔镜8、第三腔镜9、聚焦镜10、探测器11、数据采集记录分析机构12、进气口13、气体过滤器14、出气口15、腔温度测量器16、腔压力测量器17、压电陶瓷18、腔长伺服控制机构19、参考光调制机构20、主控机构21、光放大器22、常规伽利略望远镜组301、柱透镜302、第一对准镜组501、第二对准镜组502。
具体实施方式
在下文中，将参考附图1-4描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，包括主控机构21，如图1所示，还包括沿光源入射方向至光源出射方向依次设置的激光光源1、准直匹配对准光路、无源三角谐振腔6、聚焦镜10、探测器11和数据采集记录分析机构12，无源三角谐振腔6上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构19。
激光光源1包括光源部分和波长调谐部分，用以产生激光光束、实现光源的出射和光源波长的扫描。
准直匹配对准光路用以将光源的光束特性与无源三角谐振腔6的光束特性进行匹配；准直匹配对准光路包括与激光光源1连接的准直镜组2和与无源三角谐振腔6连接的对准镜组5，准直镜组2和对准镜组5之间沿光路方向设有匹配镜组3和分光镜；对准镜组5包括平行设置的第一对准镜组501和第二对准镜组502，光源在分光镜处分为第一光束和第二光束，第一光束用于注入无源三角谐振腔6，分光镜处的第一光束入射至对准镜组5后，经过第一对准镜组501和第二对准镜组502两次对准后平行射出至无源三角谐振腔6内，通过第一对准镜501与第二对准镜502的配合实现光源光路与无源三角谐振腔6光路的对准；匹配镜组包括常规伽利略望远镜组301和柱透镜302，常规伽利略望远镜组301可将子午与弧矢平面内的光束束腰实现相同程度的调整，柱透镜302可实现椭圆光束在子午与弧矢不同平面不同程度的调整。
无源三角谐振腔6用以接收光源能量，达到谐振条件，实现光能量累积，实现谐振峰值的建立；如图1和图2所示，无源三角谐振腔6包括平面镜结构的第一腔镜7、第一腔镜7和曲面结构的第三腔镜9，第一腔镜7、第二腔镜8和第三腔镜9之间的光路形成三角腔闭合光轴回路；第一光束由第一腔镜7进入无源三角谐振腔6内，经过第二腔镜8和第三腔镜9实现一个周期的循环；无源三角谐振腔6还包括进气口13、出气口15、气体过滤器14、腔温度测量器16和腔压力测量器17。
无源三角谐振腔6上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构19，谐振建立机构用于扫描腔长并使无源三角谐振腔6满足谐振条件，腔长伺服控制机构19用以实现腔长调节；谐振建立机构用于扫描腔长，使谐振腔满足谐振条件，谐振建立机构包括粘结在第三腔镜9上的压电陶瓷18，腔长伺服控制机构19与压电陶瓷18连接，通过腔长伺服控制机构19控制压电陶瓷18实现腔长调节，达到谐振条件，腔内光强累积，透射光束的光强迅速增强；无源三角谐振腔6完成了闭合光轴设计，实现了三角镜的初步对准。
对准镜组5与无源三角谐振腔6之间包括光放大器22，用以增强无源三角谐振腔6内谐振频率处的透射光能量；探测器11用于获取无源三角谐振腔6出射光的能量。
聚焦镜10用以将无源三角谐振腔6出射的光汇聚在探测器11上；数据采集记录分析机构12用于获取光源光轴与无源三角谐振腔6内光轴之间的倾斜与轴平移误差；可记录探测器11测得的光强信息，从一次谐振开始记录一个自由光谱范围内的光强信息；通过采集到的光强信息得出一阶模激发的强度信息；包括获取达到第一次谐振峰值时开始记录，当光源波长扫描一个自由光谱范围时至第二次谐振峰值，数据记录机构获取一个自由光范围内的腔透射强度信息，由于一阶模谐振频率已知，获取两个一阶模谐振点处的激发强度信息，从两个一阶模的激发强度分别得出两个平面的失调误差。
分光镜与腔长伺服机构之间还连接有参考光调制机构20，，第二光路进入参考光调制机构20，用于实现稳频；分光镜处的第二光束通过参考光调制机构20加入频率边带，与无源三角谐振腔6中出射的光束混频，用以实现腔内频率与光源频率的稳定匹配。
工作原理为：激光光源1出射的光，经过准直镜组2与匹配镜组3，与已经实现闭合光轴设计的环形无源三角谐振腔6中的光束实现光束特性匹配；当腔内谐振没有建立时，探测器11无法探测到无源三角谐振腔6中出射的光强，谐振建立机构利用与第三腔镜9相连的腔长伺服控制机构19实现腔长扫描；腔长扫描过程中当无源三角谐振腔6的腔长满足谐振条件时，探测器11探测到的光强迅速累积，达到峰值后，腔长伺服控制机构19停止扫描；此时光源调制机构20开始扫描光源波长，数据采集记录分析机构12此时开始记录透射光强信息，波长扫描至下一次谐振峰值建立时停止记录。通过获取一个自由光谱范围内两个一阶模的透射强度信息，即可以得出衰荡光谱装置中失调误差信息。
一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，采用上述测量装置进行测试，包括如下步骤：
S1：使环形腔光路满足闭合光轴特性：通过设计三角腔闭合光轴回路中三角腔的腔长、腔角及第三腔镜9的曲率满足谐振腔稳定条件及闭合光轴条件；
S2：使激光光源1与无源三角谐振腔6满足初步对准条件：激光光源1出射的光依次通过准直镜组2和匹配镜组3的中心，经过分光镜的第一光束再经对准镜组5进入无源三角谐振腔6谐振腔内第一腔镜7的中心，与无源三角谐振腔内的光轴实现初步对准。
S3：通过腔长伺服控制机构19使无源三角谐振腔6满足谐振条件并建立阈值光强；光源出射的光经过匹配镜组3和对准镜组5进入无源三角谐振腔6内，当无源三角谐振腔6不满足谐振条件时，光经过聚焦镜10后被探测器11接收的光能量弱，探测器11不发生响应；此时腔长伺服控制机构19控制压电陶瓷18并实现腔长调节；当无源三角谐振腔满足谐振条件时，无源三角谐振腔内的光能量迅速累积，探测器11实现出射光强的建立；同时，为了维持谐振现象的稳定，克服光源波动带来的影响，通过参考光调制机构20将第二光束中加入频率边带，与无源三角谐振腔6中出射光束混频，实现腔内频率与光源频率的长时间稳定匹配。
S4：谐振建立后，光源实现一个自由光谱范围的波长扫描，通过数据采集记录分析机构12记录一个波长范围内的透射光强信息。
自由光谱范围FSR可通过公式(3)计算，其中c为光速，L为三角腔的腔长(即三条边长之和)。
FSR＝c/nL (3)
S5：通过透射光强度数据获取失调信息，数据采集记录分析机构12将记录到的透射光强信息进行分析。具体的，以初次达到谐振时的峰值为零点，并选取与下一个峰值之间的两个子峰值进行分析；两个子峰值为TEM01模和TEM10模，TEM01模和TEM10模的谐振频率分别通过公式(1)和公式(2)计算求得：
其中，FSR为无源三角谐振腔6的自由光谱范围，L为无源三角谐振腔6的腔长，R为第三腔镜9的曲率半径。
由于光放大器22的使用，一阶模的较强激发，分别在TEM01模与TEM10的谐振频率处有较强的透射光能量，该透射光强对应的失调信息，可由公式(4)求得。
其中I1为一阶模透射光强，I0为基模的透射光强(即谐振初步建立时的最强光强)，ε为失调的轴平移量，α为失调的倾斜量，qL为光源的q参数(光源参数已知)。
其中TEM01模的激发量对应子午平面的失调量，TEM10模的激发量对应弧矢平面的失调量；两个正交平面的失调量对应不同谐振频率处的透射光强信息，以实现了不同平面失调信息的获取。
I1/I0＝·(2πe-2)-1/2(ε-qLα)2 (4)
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：包括沿光源入射方向至光源出射方向依次设置的激光光源(1)、准直匹配对准光路、无源三角谐振腔(6)、聚焦镜(10)、探测器(11)和数据采集记录分析机构(12)；激光光源(1)包括光源部分和波长调谐部分，用以实现光源的出射和光源波长的扫描；无源三角谐振腔(6)用以接收光源能量实现谐振峰值的建立，准直匹配对准光路用以将光源的光束特性与无源三角谐振腔(6)的光束特性进行匹配；探测器(11)用于获取无源三角谐振腔(6)出射光的能量；数据采集记录分析机构(12)用于获取光源光轴与无源三角谐振腔(6)内光轴之间的倾斜与轴平移误差；无源三角谐振腔(6)上还连接有谐振建立机构和腔长伺服控制机构(19)，谐振建立机构用于扫描腔长并使无源三角谐振腔(6)满足谐振条件，腔长伺服控制机构(19)用以实现腔长调节。
2.根据权利要求1所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述无源三角谐振腔(6)包括平面镜结构的第一腔镜(7)、第一腔镜(7)和曲面结构的第三腔镜(9)，第一腔镜(7)、第二腔镜(8)和第三腔镜(9)之间的光路形成三角腔闭合光轴回路；谐振建立机构包括粘结在第三腔镜(9)上的压电陶瓷(18)，腔长伺服控制机构(19)与压电陶瓷(18)连接，通过腔长伺服控制机构(19)控制压电陶瓷(18)实现腔长调节。
3.根据权利要求2所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述准直匹配对准光路包括与激光光源(1)连接的准直镜组(2)和与无源三角谐振腔(6)连接的对准镜组(5)，准直镜组(2)和对准镜组(5)之间沿光路方向设有匹配镜组(3)和分光镜。
4.根据权利要求3所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述对准镜组(5)包括平行设置的第一对准镜组(501)和第二对准镜组(502)，分光镜处的第一光束入射至对准镜组(5)后，经过第一对准镜组(501)和第二对准镜组(502)两次对准后平行射出至无源三角谐振腔(6)内。
5.根据权利要求4所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述分光镜与腔长伺服机构之间还连接有参考光调制机构(20)，分光镜处的第二光束通过参考光调制机构(20)加入频率边带，与无源三角谐振腔(6)中出射的光束混频，用以实现腔内频率与光源频率的稳定匹配。
6.根据权利要求5所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述对准镜组(5)与无源三角谐振腔(6)之间包括光放大器(22)，用以增强无源三角谐振腔(6)内谐振频率处的透射光能量。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量装置，其特征在于：所述无源三角谐振腔(6)还包括进气口(13)、出气口(15)、气体过滤器(14)、腔温度测量器(16)和腔压力测量器(17)。
8.一种环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，采用权利要求7所述的测量装置进行测试，其特征在于，包括如下步骤：
S1：使环形腔光路满足闭合光轴特性：通过设计三角腔闭合光轴回路中三角腔的腔长、腔角及第三腔镜(9)的曲率满足谐振腔稳定条件及闭合光轴条件；
S2：使激光光源(1)与无源三角谐振腔(6)满足初步对准条件：激光光源(1)出射的光依次通过准直镜组(2)和匹配镜组(3)的中心，经过分光镜的第一光束再经对准镜组(5)进入无源三角谐振腔(6)谐振腔内第一腔镜(7)的中心，与无源三角谐振腔内的光轴实现初步对准；
S3：通过腔长伺服控制机构(19)使无源三角谐振腔(6)满足谐振条件并建立阈值光强；
S4：谐振建立后，光源实现一个自由光谱范围的波长扫描，通过数据采集记录分析机构(12)记录一个波长范围内的透射光强信息；
S5：通过透射光强度数据获取失调信息。
9.根据权利要求8所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，其特征在于：光源出射的光经过匹配镜组(3)和对准镜组(5)进入无源三角谐振腔(6)内，步骤S3中当无源三角谐振腔(6)不满足谐振条件时，光经过聚焦镜(10)后被探测器(11)接收的光能量弱，探测器(11)不发生响应；此时腔长伺服控制机构(19)控制压电陶瓷(18)并实现腔长调节；当无源三角谐振腔满足谐振条件时，无源三角谐振腔内的光能量迅速累积，探测器(11)实现出射光强的建立。
10.根据权利要求9所述的环形腔衰荡光谱装置的失调误差测量方法，其特征在于：S5中以初次达到谐振时的峰值为零点，并选取与下一个峰值之间的两个子峰值进行分析；两个子峰值为TEM01模和TEM10模，TEM10模和TEM01模的谐振频率分别通过公式(1)和公式(2)计算求得：
其中，FSR为无源三角谐振腔(6)的自由光谱范围，L为无源三角谐振腔(6)的腔长，R为第三腔镜(9)的曲率半径。
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