[發(fā)明專利]光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN108627244B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設計）人: 郭瑞民;曹珂;沈慶飛;武彤
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/42
• 代理公司: 北京潤澤恒知識產(chǎn)權代理有限公司 11319
• 代理人: 蘇培華

本發(fā)明提供了一種光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)及方法，該光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)應用于光腔結構，且包括控制單元、溫度采樣單元、加熱驅動電路以及控溫箱，其中，所述光腔結構設置在所述控溫箱內(nèi)部；所述控溫箱用于確保所述光腔結構的溫度穩(wěn)定在預設溫度范圍內(nèi)；所述加熱驅動電路與所述控溫箱連接，并用于驅動所述控溫箱；所述控制單元與所述溫度采樣單元連接，且所述控制單元用于處理所述溫度采樣單元采集的數(shù)據(jù)并控制所述加熱驅動電路的通斷。本發(fā)明提出的光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)包含兩個單元：溫度控制單元和腔長反饋控制單元，兩個單元協(xié)同工作，可以解決光學諧振腔長度會因外界因素的擾動而發(fā)生無規(guī)則變化的問題，實現(xiàn)光學諧振腔長度的穩(wěn)定。

技術領域

本發(fā)明涉及光譜測量技術領域，特別是涉及一種光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)及方法。

背景技術

光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)技術：CRDS技術是近些年迅速發(fā)展起來的一種吸收光譜檢測技術，其技術實現(xiàn)依靠光腔衰蕩裝置，該裝置的主要組成部分是高反射率的光腔、激光器和探測器。其中，光學諧振腔(光腔)的主要組成部分是置于兩端的反射鏡，光從一端進入，在腔體里面來回反射形成共振并最終射出光腔。當激光模式與光腔模式完美匹配時，激光在光腔內(nèi)部來回反射形成穩(wěn)定的駐波。此時切斷入射光，若腔內(nèi)存在待測的樣品氣體，則在腔內(nèi)形成振蕩的激光在多次來回反射的過程中被樣品不斷吸收，另一端出射光的強度不斷減弱。我們可以通過探測器測得不斷減小的出射光的強度變化，得到光在腔內(nèi)的衰蕩曲線，從而得到有關樣品濃度的相關信息。

然而，為實現(xiàn)上述過程就需要保證：光學諧振腔長度不會隨著外界溫度漂移、機械振動而發(fā)生無規(guī)則的變化。但是現(xiàn)有技術除采用穩(wěn)定性更高的支架等物理方法外沒有有效的技術能夠實現(xiàn)上述要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括溫度控制單元和腔長反饋控制單元組成，以解決光學諧振腔長度會因外界因素的擾動(如環(huán)境溫度變化)而發(fā)生無規(guī)則變化的問題，保證光腔在一定時間內(nèi)長度不發(fā)生變化。

為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)，應用于光腔結構，且所述光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)包括溫度控制單元，所述溫度控制單元包括控制單元、溫度采樣單元、加熱驅動電路以及控溫箱，其中，所述光腔結構設置在所述控溫箱內(nèi)部；所述控溫箱用于確保所述光腔結構的溫度穩(wěn)定在預設溫度范圍內(nèi)；所述加熱驅動電路與所述控溫箱連接，并用于驅動所述控溫箱；所述控制單元與所述溫度采樣單元連接，且所述控制單元用于處理所述溫度采樣單元采集的數(shù)據(jù)并控制所述加熱驅動電路的通斷。

可選地，所述溫度采樣單元包括溫度傳感器、采樣電路及數(shù)據(jù)采集單元，其中，所述溫度傳感器一端連接至光腔結構用于采集光腔結構的溫度、另一端連接至采樣電路的一端；所述采樣電路的另一端連接至數(shù)據(jù)采集單元的一端；所述控制單元與所述數(shù)據(jù)采集單元的另一端連接，且所述控制單元用于處理所述數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)并控制所述加熱驅動電路的通斷。

可選地，所述光腔長度穩(wěn)定系統(tǒng)還包括腔長反饋控制單元，所述腔長反饋控制單元包括參考激光器、聲光調(diào)制單元、模式匹配單元、分光器、光電探測器以及反饋單元，其中，所述參考激光器用于發(fā)射激光，所述激光具有穩(wěn)定的頻率；所述聲光調(diào)制單元用于調(diào)制激光頻率；所述模式匹配單元用于確保所述激光在所述光腔結構中形成共振；所述分光器用于將從所述光腔結構中射出的光分為兩束，且使得其中一束進入所述光電探測器；所述光電探測器用于將光信號轉變?yōu)殡娦盘枺凰龇答亞卧糜讷@得誤差信號，并將所述誤差信號反饋到壓電陶瓷上，且所述壓電陶瓷設置于所述光腔結構的進光口。

可選地，所述反饋單元包括通過特定連接線依次連接的鎖相放大器、比例積分調(diào)節(jié)器、低通濾波器以及壓電陶瓷控制單元，其中，所述鎖相放大器用于檢測特定頻率的信號強弱；所述比例積分調(diào)節(jié)器用于將所述鎖相放大的電信號進行比例積分處理；所述低通濾波器用于容許低于特定頻率的信號通過并禁止高于特定頻率的信號通過；所述壓電陶瓷控制單元用于根據(jù)誤差信號的電壓大小來確定壓電陶瓷的移動距離。