[發明專利]多通道激光吸收光譜測量系統

有效

• 申請號: 201310412853.1
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103439292A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 程治文;蒲以康
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

技術領域

本發明涉及光學儀器領域，具體涉及一種多通道激光吸收光譜測量系統。

背景技術

對于研究低溫等離子體內部粒子的動力學規律，通常采用光學診斷方法獲得目標激發態粒子的粒子數密度。為了獲得可發光能級的粒子數密度，通常通過觀測等離子體的發光強度獲得發光上能級的密度。而對于發光能級下能級的粒子數密度往往通過光學吸收的方法，即通過觀測等離子體中下能級粒子對相應波長光的吸收情況判斷下能級粒子數密度，所以吸收光譜方法需要外在光源向等離子體發射光子，而激光擁有很好的單色性以及方向性，是用于光學吸收的高質量光源，并且利用激光吸收信息可以得到下能級粒子的吸收線型，得到多普勒展寬從而得到氣體溫度等信息。

對于科學研究與工業需求，放電氣體種類繁多，每種放電氣體又有多種需要利用激光吸收確定粒子數密度的能級粒子，因此對于激光光源有以下要求：第一，激光器能夠調節的激光波長范圍要盡可能大，要能夠覆蓋輸出測量需要的譜線。第二，激光的輸出激光在掃描過程中波長與能量需要極其穩定，可重復性好。同時，對檢測單元有以下要求：第一，由于放電形式多樣，對激光吸收檢測時要求檢測裝置具有可調的時間分辨能力。在脈沖放電情況下，粒子數密度是隨時間變化的。有些能態，比如氬原子的兩個共振態1s2和1s4密度變化的特征時間是微秒量級的，這就要求檢測器具有很高的時間分辨能力。而有些能態，比如氬原子的兩個亞穩態1s₃和1s₅密度變化的特征時間為毫秒量級，對檢測器的時間分辨能力要求就較低。第二，由于激光吸收存在能量飽和的情況，所以在測量亞穩態時往往激光強度較低，測量共振態時激光強度較大，所以檢測器需要有可調的靈敏度以適應不同實驗中的不同強度靈敏度要求。

常用于激光吸收的激光器為窄范圍可調節半導體激光器，這類激光器輸出波長與能量很穩定，但波長的可調節范圍僅有30nm左右。但對于氬氣放電等情況，4個第一激發態1s₂-1s₅的密度測量需要的波長跨度是大于30nm的?，F有技術中常常需要在測完一種能態粒子密度之后需要更換激光器。激光光學光路是極精密的，更換激光器可能會對光路造成擾動，帶來測量誤差。而且由于更換激光器的操作導致測試時間較長，也會影響測量結果的真實程度。再者，現有技術中，測量器的時間分辨率和靈敏度固定，不能適用于所有的被測試粒子，往往給帶來很大的誤差。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的目的在于提出一種具有較大波長調節范圍的多通道激光吸收光譜測量系統。

根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統，包括：可調節激光器組，所述可調節激光器組包括多個可調節激光器；激光合成單元，所述激光合成單元用于將所述多個可調節激光器發出的激光匯成一束合成激光束；激光分光單元，所述激光分光單元用于將所述激光束合成單元發出的所述合成激光束分為相同的第一激光束和第二激光束；法布里-珀羅干涉儀，所述法布里-珀羅干涉儀用于激光頻率標定，所述第一激光束經過所述法布里-珀羅干涉儀；第一檢測器，所述第一檢測器位于所述法布里-珀羅干涉儀的后端，用于檢測經過所述法布里-珀羅干涉儀后的第一激光束的強度；待測氣體腔室，所述待測氣體腔室用于容納待測氣體，所述第二激光束經過所述待測氣體腔室；第二檢測器，所述第二檢測器位于所述待測氣體腔室的后端，用于檢測經過所述待測氣體腔室后的第二激光束的強度；和顯示裝置，所述顯示裝置與所述第一檢測器和所述第二檢測器相連，用于顯示檢測結果。

由上可知，根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統至少具有如下優點：1.通過可調節激光器組，可調節輸出的激光波長覆蓋范圍在100nm以上，覆蓋大多數稀有氣體第一激發態密度測量需要的激光波長；2.利用激光合成單元將多個可調節激光器發出的激光匯到同一條光路上，在更改測量對象時，只需要更改激光波長，而無需更改光路，大大簡化了操作；3.利用了可調時間分辨能力以及靈敏度的檢測器，能夠滿足任何的條件，降低了在檢測器光路端的難度；4.能夠在任何一個條件下，在同一個放電時間單元內，同時獲得這個放電中所需要被測量的能級粒子數密度，對于研究等離子體中粒子動力學過程有重要意義。

另外，根據本發明實施例的多通道激光吸收光譜測量系統還具有如下附加技術特征。