[發(fā)明專利]一種光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811493376.5
• 申請(qǐng)日: 2018-12-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109580541B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顏昌翔;宋紹漫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛(wèi)良

本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法。該測(cè)量裝置包括用于產(chǎn)生激光光束的激光光源，調(diào)制光路機(jī)構(gòu)，用于接收經(jīng)過(guò)調(diào)制光路機(jī)構(gòu)調(diào)制后的激光光束并將激光光束發(fā)生干涉疊加的無(wú)源諧振腔，用于接收所述干涉疊加后的激光光束并產(chǎn)生電信號(hào)的光學(xué)外差探測(cè)機(jī)構(gòu)，接收所述電信號(hào)并判斷所述電信號(hào)與預(yù)設(shè)閾值的關(guān)系的數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)，若電信號(hào)大于所述預(yù)設(shè)閾值時(shí)，數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)發(fā)出關(guān)斷所述激光光源的指令并通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路采集、描繪衰蕩曲線及計(jì)算待測(cè)痕量物質(zhì)濃度。該測(cè)量裝置及方法能夠提高測(cè)量精度、操作簡(jiǎn)單且成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光譜探測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)

在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、國(guó)防安全、先進(jìn)制造工業(yè)等許多領(lǐng)域存在大量的痕量物質(zhì)檢測(cè)需求，并且對(duì)檢測(cè)靈敏度的要求越來(lái)越高。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。基于無(wú)源諧振腔增強(qiáng)技術(shù)的特征是：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，從而提高測(cè)量精度。對(duì)于無(wú)源腔來(lái)說(shuō)，腔內(nèi)光強(qiáng)衰減速度與腔鏡反射率及兩腔鏡間的距離有關(guān)。當(dāng)光學(xué)無(wú)源腔內(nèi)充滿待測(cè)氣體(或液體)時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)衰減速度會(huì)由于物質(zhì)吸收而增加。在調(diào)節(jié)良好的情況下，腔內(nèi)光強(qiáng)將呈單e數(shù)衰減。通過(guò)繪制腔內(nèi)光強(qiáng)衰減速率與對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，可以獲得腔內(nèi)痕量待測(cè)物質(zhì)的吸收光譜。

在傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量系統(tǒng)中，用于裝待測(cè)氣體高品質(zhì)光學(xué)無(wú)源腔通常采用兩鏡式直腔。兩鏡腔普遍存在很難消除的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，會(huì)給光強(qiáng)測(cè)量帶來(lái)較大誤差，降低測(cè)量精度。

傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)中采用Drever的PDH方法利用光學(xué)諧振腔的相位特性構(gòu)成穩(wěn)頻系統(tǒng)，利用調(diào)頻光譜技術(shù)獲得光學(xué)諧振腔的色散曲線作為鑒頻曲線圖。對(duì)激光作微小的相位調(diào)制，產(chǎn)生分布在載頻兩側(cè)、幅度相等但初始位相相反的二個(gè)邊頻帶。由于受諧振腔或其它介質(zhì)的影響，兩個(gè)邊頻帶的幅度或相位有了不均勻的變化，則兩差拍信號(hào)不能完全抵消，接收器會(huì)輸出一個(gè)頻率信號(hào)。該輸出信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生類似于諧振腔相移曲線的鑒頻曲線，從而在較小的范圍內(nèi)均能產(chǎn)生有效的誤差信號(hào)用以調(diào)控腔長(zhǎng)，因此，系統(tǒng)不易失鎖，抗干擾能力很強(qiáng)。但是，這種調(diào)頻光譜技術(shù)的成本高，且對(duì)激光頻率控制精度要求高、操作難度大。

傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量腔出射光強(qiáng)時(shí)，光電探測(cè)器探測(cè)從無(wú)源腔某一腔鏡透射出的激光能量衰蕩變化。由于光能量較低，因此，探測(cè)器需要具備高探測(cè)靈敏度，即對(duì)系統(tǒng)光電檢測(cè)器件的精度要求較高。

另外，由于光腔衰蕩光譜系統(tǒng)的復(fù)雜性及高精密性，大多數(shù)研究尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還沒(méi)有比較成熟的可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的腔衰蕩光譜測(cè)量裝置。

針對(duì)傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量系統(tǒng)存在操作難度大、成本高、精度不夠等問(wèn)題，急需一種能夠提高精度、操作簡(jiǎn)單且成本低的光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)傳統(tǒng)的光腔衰蕩光譜(CRDS)測(cè)量系統(tǒng)存在操作難度大、成本高、精度不夠等問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法。該光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置及方法能夠提高測(cè)量精度、操作簡(jiǎn)單且成本低。

該光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置的具體方案如下：一種光學(xué)外差法腔衰蕩光譜測(cè)量裝置包括：激光光源，用于產(chǎn)生激光光束的光源；調(diào)制光路機(jī)構(gòu)，用于調(diào)制所述激光光束；無(wú)源諧振腔，用于接收經(jīng)過(guò)所述調(diào)制光路機(jī)構(gòu)調(diào)制后的激光光束，并將所述激光光束在所述無(wú)源諧振腔發(fā)生干涉疊加；光學(xué)外差探測(cè)機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)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(cè)器；所述光學(xué)外差探測(cè)機(jī)構(gòu)接收所述干涉疊加后的激光光束并產(chǎn)生電信號(hào)；數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)，接收所述電信號(hào)并判斷所述電信號(hào)與預(yù)設(shè)閾值的關(guān)系，若電信號(hào)大于所述預(yù)設(shè)閾值時(shí)，數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)發(fā)出關(guān)斷所述激光光源的指令并通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路采集、描繪衰蕩曲線及計(jì)算待測(cè)痕量物質(zhì)濃度。