[發明專利]一種光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201811493376.5
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109580541B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 顏昌翔;宋紹漫
• 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: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛良

1.一種光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括： 激光光源、調制光路機構、無源諧振腔、光學外差探測機構、數據處理機構，

所述激光光源，用于產生激光光束的光源；

所述調制光路機構，包括光準直器、聲光調制器、偏振分光棱鏡、模式匹配鏡和光闌，用于調制所述激光光束，具體地，所述偏振分光棱鏡將所述激光光束分成一路P偏振光，一路S偏振光；所述P偏振光通過波長計接收并將波長值反饋至數據處理機構，所述S偏振光經過所述模式匹配鏡調整后進入光闌，再經過所述光闌到達所述無源諧振腔的輸入耦合鏡；

所述無源諧振腔，用于接收經過所述調制光路機構調制后的激光光束，并將所述激光光束在所述無源諧振腔發生干涉疊加；

所述光學外差探測機構，包括分束鏡、位于所述分束鏡的第一路光路上的反射鏡，位于所述分束鏡的第二路光路上的第一聚焦鏡和轉鏡，位于所述分束鏡的第二路光路反方向上的可變光闌、線柵偏振片、第二聚焦鏡和光電探測器；所述光學外差探測機構接收所述干涉疊加后的激光光束并產生電信號；

所述數據處理機構，接收所述電信號并判斷所述電信號與預設閾值的關系，若電信號大于所述預設閾值時，數據處理機構發出關斷所述激光光源的指令并通過數據采集電路采集、描繪衰蕩曲線及計算待測痕量物質濃度；

計算待測痕量物質濃度的公式為：

，

其中，，，R₁為輸入耦合鏡的功率反射率，R₂為輸出耦合鏡的功率反射率，R₃為球面鏡的功率反射率，L是無源諧振腔內依次循環的光路徑總長度，τ是無源諧振腔內存在待測物質時的衰蕩時間常數，τ₀是無源諧振腔真空狀態下的衰蕩時間常數，c是光速，α是腔內待測樣品的吸收系數，S是吸收線強，g是線型函數，ρ是分子密度，x_j是待測物質摩爾分數;

所述無源諧振腔包括位于腔體上的輸入耦合鏡、輸出耦合鏡、進氣口、出氣口、壓力傳感器、溫度傳感器以及位于腔體內的球面鏡、波長監測器,

所述球面鏡上安裝有腔長調節裝置，用于調整所述球面鏡與所述輸入耦合鏡、輸出耦合鏡之間的距離,球面鏡與輸入耦合鏡、輸出耦合鏡形成三角形環形反射光路,其透射率為球面鏡和輸出耦合鏡的透射率之和，激光光束由輸入耦合鏡進入無源諧振腔。

2.根據權利要求1所述的一種光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括激光控制器電路，所述激光光源采用分布反饋式激光器，所述數據處理機構通過激光控制器電路控制所述分布反饋式激光器。

3.根據權利要求1所述的一種光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置，其特征在于，所述輸入耦合鏡、輸出耦合鏡和球面鏡構成閉合的中心光路，所述中心光路與所述激光光束同軸。

4.根據權利要求1所述的一種光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置，其特征在于，所述測量裝置還包括壓電陶瓷控制電路，所述無源諧振腔與所述壓電陶瓷控制電路連接后，連入所述數據處理機構。

5.一種光學外差法腔衰蕩光譜測量方法，其特征在于，應用于權利要求1-4任一項所述的光學外差法腔衰蕩光譜測量裝置，所述測量方法包括：

步驟S1：激光光源發射激光光束經過調制光路機構到達無源諧振腔；

步驟S2：激光光束在所述無源諧振腔內發生干涉疊加；

步驟S3：干涉疊加后的激光光束進入光學外差探測機構，產生兩路頻率不同的相干光并產生電信號；

步驟S4：數據處理機構接收所述電信號并判斷所述電信號與預設閾值的關系，若電信號大于所述預設閾值時，數據處理機構發出關斷所述激光光源的指令并通過數據采集電路采集、描繪衰蕩曲線及計算待測痕量物質濃度；

所述計算待測痕量物質濃度的公式為：

，

其中，，，R₁為輸入耦合鏡的功率反射率，R₂為輸出耦合鏡的功率反射率，R₃為球面鏡的功率反射率，L是無源諧振腔內依次循環的光路徑總長度，τ是無源諧振腔內存在待測物質時的衰蕩時間常數，τ₀是無源諧振腔真空狀態下的衰蕩時間常數，c是光速，α是腔內待測樣品的吸收系數，S是吸收線強，g是線型函數，ρ是分子密度，x_j是待測物質摩爾分數;

所述無源諧振腔包括位于腔體上的輸入耦合鏡、輸出耦合鏡、進氣口、出氣口、壓力傳感器、溫度傳感器以及位于腔體內的球面鏡、波長監測器,

所述球面鏡上安裝有腔長調節裝置，用于調整所述球面鏡與所述輸入耦合鏡、輸出耦合鏡之間的距離,球面鏡與輸入耦合鏡、輸出耦合鏡形成三角形環形反射光路,其透射率為球面鏡和輸出耦合鏡的透射率之和，激光光束由輸入耦合鏡進入所述無源諧振腔。