[發(fā)明專利]一種掃描吸收光譜的激光波長鎖定系統(tǒng)與方法

有效

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• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112729544B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設計）人: 張玉鈞;陳東;尤坤;何瑩;王立明;余冬琪;范博強;李瀟毅;謝皓;雷博恩;劉文清
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01J3/10
• 分類號: G01J3/10
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙) 34124
• 代理人: 鄭浩

一種掃描吸收光譜的激光波長鎖定系統(tǒng)與方法屬于半導體激光器波長鎖定技術領域，解決如何實現(xiàn)對半導體激光器輸出中心波長的高精度、高可靠鎖定的問題；將吸收光譜檢測子系統(tǒng)輸出的檢測掃描光譜信號分為兩路，一路用于反演目標氣體的濃度；另一路作為參考信號輸入識別與反饋控制子系統(tǒng)，用于激光波長漂移的修正與鎖定，不需要增加參考光路，利用檢測子系統(tǒng)的光路信號即可完成激光波長漂移的識別與反饋控制，簡化了系統(tǒng)結構；利用環(huán)境中普遍存在的水汽兩條吸收線作為激光器掃描過程波長漂移的識別和計算的基準，能夠有效識別噪聲或干擾引起的虛假波長漂移特征，具有更高的激光器掃描過程波長漂移的識別和計算的可靠性和準確性。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體激光器波長鎖定技術領域，具體涉及一種掃描吸收光譜的激光波長鎖定系統(tǒng)與方法。

背景技術

在氣體濃度檢測的高分辨半導體激光掃描吸收光譜技術中，通過在激光器驅動電流上疊加一個鋸齒波信號實現(xiàn)在一定波長范圍內激光器的波長連續(xù)掃描，記錄經過氣體樣品的透射激光強度，可以獲得目標氣體分子一條目標吸收線完整吸收光譜信號，光譜信號包含了吸收線位置、線形和強度特征信息，進而結合校準算法可以反演氣體的濃度。

但在實際應用中，半導體激光器受到現(xiàn)場環(huán)境的擾動或者長期連續(xù)運行的工作狀態(tài)變化等因素影響可能導致激光器輸出波長的漂移，引起激光掃描輸出的中心波長位置和波長范圍的偏移，造成單次掃描的吸收光譜目標吸收譜線中心位置的變化，對于采用固定校準光譜信號進行氣體濃度反演的檢測技術，這種現(xiàn)象將導致濃度測量的準確性和反演算法的相關性降低；另一方面，掃描吸收光譜技術中通常采用信號多次累加的方法提高信號的信噪比，激光器輸出波長的變化會導致參與累加平均的單次掃描吸收光譜信號波長不對齊，累加后的光譜信號出現(xiàn)譜線展寬和強度降低，引起測量誤差。因此，為了保證高分辨半導體激光掃描吸收光譜氣體濃度檢測的準確性，對激光器波長掃描過程中進行中心波長鎖定是十分必要的。

現(xiàn)有激光器波長鎖定技術主要有雙光路吸收光譜法和標準具干涉法。雙光路吸收光譜法將激光分成兩束，一束作為檢測光束用于氣體吸收光譜檢測，另外一束用于構成波長鎖定檢測光路，在光路中引入充有高濃度目標氣體的樣品池，獲得目標氣體的一條吸收光譜信號，通過光譜信號分析得到吸收線峰值位置的變化信息，反饋到激光器控制電路進行動態(tài)補償實現(xiàn)波長的鎖定。如文獻《痕量氣體激光檢測系統(tǒng)波長鎖定技術研究》(光譜學與光譜分析，王立明)以及《基于TDLAS技術的有毒有害氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)》(哈爾濱工程大學，于莎莎)。另外其他現(xiàn)有技術中，如文獻《一種用于氣體檢測的激光波長鎖定的方法及裝置》(CN201710790219.X)中只是他把參考光路做成可轉換的，間斷的把參考池推入檢測光路，這時候檢測光路就起到參考光路的作用，只能對此時的激光器波長進行調整鎖定，不能連續(xù)鎖定激光器的波長。文獻《基于TDLAS掃描收發(fā)一體式機動車尾氣遙感測量裝置及方法》(CN108414469A)中把參考光路與檢測光路合二為一，在檢測光路中加入?yún)⒖汲兀沟脵z測光路信號中始終有目標氣體的吸收特征，但這種方法直接得到的是測量光路上的氣體濃度與參考池中氣體等效濃度的和，由于參考池中的氣體是高濃度氣體，對測量光路上氣體濃度的檢測會導致較大的誤差。總之，雙光路吸收光譜法這種技術需要額外的波長鎖定光路和系統(tǒng)模塊，增加了系統(tǒng)的復雜性，也由于分光還會導致檢測光路的激光功率降低；更為重要的是，由于光譜信號噪聲影響，峰值位置的識別會有較大不確定性，降低了波長鎖定的可靠性。

標準具干涉法通過在引入標準具檢測光路，通過監(jiān)測透射光強的變化獲得波長漂移信息，并通過反饋控制實現(xiàn)激光器輸出波長的鎖定，如文獻《用于可調諧激光器的波長鎖定結構和方法》(CN201680029540.X)。但這種方法僅適用于固定波長輸出的激光器波長鎖定，不適用于連續(xù)掃描的激光器輸出波長鎖定。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種掃描吸收光譜的激光波長鎖定系統(tǒng)與方法，能夠實現(xiàn)對半導體激光器輸出中心波長的高精度、高可靠鎖定。

本發(fā)明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：