[發明專利]一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法

在審

• 申請號: 201410787501.9
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN104515750A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 朱小明;王曉東;顏昌翔;李丙玉
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 張偉

技術領域

本發明涉及痕量氣體濃度測量領域，具體是涉及一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。

背景技術

腔體衰蕩光譜(CRDS，Cavity?Ring-down?Spectrum)是近二三十年發展起來的一種痕量氣體濃度探測技術，通過選擇測量氣體特征吸收峰，其選擇性吸收特性配合長光程衰蕩來精確測量痕量氣體含量，一般能達到ppm或ppb量級(與氣體的吸收峰強度和衰蕩距離相關)。目前該技術廣泛應用于CH₄，N₂O，CO,CO₂，HF等氣體濃度的測量，在測量這些氣體同位素含量領域也有廣泛應用。

腔體衰蕩光譜的一項核心技術高反射率諧振腔，而構成諧振腔的關鍵是高反射率反射鏡，一般反射率要求在99.99％或更高，高反射率的意義有兩點：其一，開啟激光器時獲得更高的腔內能量累計；其二，更小的鏡面反射損耗，獲得更長的衰蕩長度。在三面反射鏡的反射率均為99.999％時，當腔長為0.5m時，光強衰減為初始光強的0.3時，反射次數為40000，衰蕩經過的距離為20km。而當反射率為99.99％,，衰蕩5000次時，相對光強已降到0.2。由此可以看出反射率在CRDS測量方法中的重要性。

目前使用的諧振腔多為兩鏡腔和三鏡腔。兩鏡腔中，其中一面反射鏡后既要安裝精密驅動裝置又要流出出射光線通路，安裝和調試多有不便。三鏡腔結構中，兩個平面高反射鏡一個用于光線入射，另一個用于光線出射，球面鏡后安裝驅動裝置，結構大為簡化，因此應用非常廣泛。但三鏡腔有一個缺陷是自然光的P分量和S分量反射率隨入射角度變化不一致，P光反射率衰減很快，而S光反射率衰減非常小。而從之前介紹中可以看出反射率的高低直接影響了衰蕩長度，從而影響測量精度。

目前使用最廣泛的獲得高反射率的方法是鍍膜，根據使用波長和鍍膜材料，通過控制膜厚和鍍膜層數達到設定的反射率。多層膜反射鏡有其特點，在傾斜入射時P光和S光分量會隨入射角度和波長變化，附圖1給出了45度入射時，系統中使用的29層TiO₂和SiO₂高反膜P光和S光反射率與波長的關系。當使用波長在1450nm–1620nm區間內時，S光反射率保持在99.99％以上，而P光反射率卻不超過36％，且劇烈波動，最低時更是趨近于0。如果使用P光和S光共同的能量值來測量衰蕩時間，由于P光的迅速損耗，造成能量的非指數衰減，導致測量精度下降。

發明內容

本發明要解決現有技術中的技術問題，提供一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下：

一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，包括以下步驟：

步驟一、開啟連續波長激光器，通過調整驅動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監測器鎖定；

步驟二、激光光束經起偏器轉換為S線偏振光；

步驟三、S線偏振光經過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內，并在腔內諧振累積能量；

步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程；

步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。

本發明具有以下的有益效果：

本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，采用反射率為99.999％(正入射)的兩面平面鏡和一面球面鏡，組成高銳度反射諧振腔。多鏡式諧振腔具有結構簡單，利于安裝驅動組件和布置光路；光源采用窄線寬半導體激光器，通過驅動電流和溫度調節，使用波長監測器監測調節過程，使波長鎖定在目標波長。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

圖1為45度入射時，系統中使用的29層TiO₂和SiO₂高反膜P光和S光反射率與波長的關系示意圖。

圖2為本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法一種具體實施方式的示意圖。

圖中的附圖標記表示為：

1-半導體激光器；2-起偏器；3-準直鏡；4-模式匹配鏡；5-高反射率平面鏡；6-高反射率平面鏡；7-球面鏡和驅動裝置；8-探測器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做以詳細說明。

如圖2所示，本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法包括以下步驟：