[發(fā)明專利]一種頻域腔衰蕩光譜探測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310468520.0
• 申請(qǐng)日: 2013-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103487392B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王允韜;阮馳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 陳廣民

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜探測(cè)和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光譜探測(cè)裝置及方法，尤其涉及一種頻域腔衰蕩光譜探測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)

在各種超高靈敏度的光譜探測(cè)技術(shù)中，基于無(wú)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(cè)樣品置于諧振腔內(nèi)，利用諧振腔對(duì)光波的多次反射來(lái)增加光與物質(zhì)作用的距離，從而增加光譜信號(hào)的幅度。

基于諧振腔增強(qiáng)的光譜探測(cè)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；④頻率調(diào)制光源腔衰蕩光譜；⑤光頻梳腔衰蕩光譜等。

在先技術(shù)之一，將一個(gè)光脈沖導(dǎo)入諧振腔，這個(gè)脈沖會(huì)在諧振腔兩個(gè)端面之間多次反射，每次反射的輸出功率都會(huì)比上一次降低。這個(gè)脈沖序列隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律變化，其中衰減的時(shí)間常數(shù)可以反映出腔內(nèi)待測(cè)樣品的光譜吸收。這種方法的缺點(diǎn)是，脈沖穿過(guò)兩個(gè)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(cè)裝置，增加了光電探測(cè)的困難。而且，為了探測(cè)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。

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(cè)輸出光功率的衰減曲線。這種方法實(shí)際上是探測(cè)諧振腔的腔內(nèi)光子壽命，通過(guò)腔內(nèi)光子壽命可以計(jì)算出待測(cè)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(cè)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(wèn)題，需要價(jià)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)。

在先技術(shù)之三，將波長(zhǎng)調(diào)制的光波注入諧振腔，同時(shí)用壓電陶瓷調(diào)制諧振腔的腔長(zhǎng)，確保諧振腔縱模與光源縱模同步變化錯(cuò)誤！未找到引用源。。這種方法是結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜和諧振腔增強(qiáng)光譜的一種常見(jiàn)手段。（波長(zhǎng)調(diào)制光譜是一種廣泛應(yīng)用的高靈敏度光譜探測(cè)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(diǎn)在于，壓電陶瓷所能提供的調(diào)制頻率很低，限制了波長(zhǎng)調(diào)制的頻率，因而限制了波長(zhǎng)調(diào)制光譜性能的發(fā)揮。另外，腔長(zhǎng)可調(diào)的諧振腔也是價(jià)格昂貴的。

在先技術(shù)之四，將波長(zhǎng)掃描的連續(xù)光源注入諧振腔，通過(guò)計(jì)算腔衰蕩過(guò)程的時(shí)間積分反演腔內(nèi)光譜吸收。這種方法可以使用波長(zhǎng)掃描的連續(xù)光源，單是不能與波長(zhǎng)調(diào)制光譜相結(jié)合，而且測(cè)量靈敏度也不高。

在先技術(shù)之五，將波長(zhǎng)掃描的光波注入諧振腔，然后將多次波長(zhǎng)掃描的信號(hào)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(zhǎng)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。

在先技術(shù)之六，用極高的頻率調(diào)制光源波長(zhǎng)，使光波的主頻和各個(gè)邊頻恰好都能穿過(guò)諧振腔的各個(gè)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(diǎn)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(wèn)題。

在先技術(shù)之七，用一個(gè)鎖模激光器作為光源，使鎖模所產(chǎn)生的光頻梳的每一個(gè)頻率成分都可以穿過(guò)諧振腔的一個(gè)縱模。這種方法解決了傳統(tǒng)的脈沖光源腔衰蕩功率過(guò)低的問(wèn)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(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種頻域腔衰蕩光譜探測(cè)裝置及方法。本發(fā)明可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的光譜測(cè)定和標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)常數(shù)測(cè)定，以及現(xiàn)場(chǎng)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。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

1.一種頻域腔衰蕩光譜探測(cè)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)；

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；

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(cè)電路、數(shù)據(jù)處理電路；

上述用于發(fā)射光波信號(hào)的光源通過(guò)導(dǎo)入光纖將光波信號(hào)導(dǎo)入導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器；

上述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)出光纖接收光路系統(tǒng)的光波信號(hào)；

上述導(dǎo)出光纖與導(dǎo)出光纖準(zhǔn)直器相互連接。

上述光源發(fā)射的光波信號(hào)為經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)線性掃描的光波信號(hào)。

2.一種頻域腔衰蕩光譜探測(cè)裝置的頻域腔衰蕩光譜探測(cè)方法，其特殊之處在于：步驟包括：

1】光源發(fā)出光波信號(hào)導(dǎo)入光路系統(tǒng)；

1.1]光源發(fā)出光波信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)入光纖，到達(dá)導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器；

1.2]光波信號(hào)通過(guò)導(dǎo)入光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入光路系統(tǒng)；

2】光波信號(hào)在光路系統(tǒng)中反射；