基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光痕量气体检测领域，主要是一种基于偏振旋转的频率调制光谱中 残余幅度抑制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 频率调制光谱（frequen巧modulationspectroscopy,简称FM巧技术是一种高灵 敏度的激光光谱技术，常用于痕量气体检测领域，相比于直接吸收光谱10^3量级的探测灵 敏度，FMS技术可W在相同条件下将灵敏度提高到1(T6量级。但在实际应用中，FMS的探测 灵敏度却会由于调制解调过程中产生的残余幅度调制（resi化alampl;Uudemo化lation， 简称RAM)的出现不能达到理论极限值。在理论方面，由于调制而产生的载频两边的边带不 是完全等幅反相就会在频率调制过程中产生RAM。然而，实际中产生残余幅度调制的原因有 很多如，光散射、沿着光传输方向上在平行表面上产生的干设效应（etalon效应）、射频源 的功率起伏、激光的频率漂移等。随着波导型电光调制器（electro-opticalmo化lator， 简称EOM)的普及，反射、散射、功率起伏等原因对FM信号的影响变得微不足道，频率调制元 件E0M的双折射效应成为产生RAM的最主要原因。常用的频率调制晶体有磯酸钟（KD巧，磯 酸氧铁钟化TP)，魄酸裡（LiNb〇3)，粗酸裡（LiTa〇3)等双折射晶体。当输入到E0M光的偏振 方向与E0M的光轴未准直时，由于E0M是双折射晶体，会造成两个特征轴方向皆有光传输， 从E0M输出的调制光就会产生两个调制幅度及相位不同的振幅分量进行合成，该样使得色 散相位探测信号存在一个直流偏置W及线型扭曲，即产生RAM。一般来说，实验初期线偏光 都是准确与E0M光轴准直的，但由于温度变化引起的保偏光纤中线偏光方向的旋转、魄酸 裡晶体中双折射系数的变化都会使准直偏移，RAM就开始在FMS中出现，继而降低探测灵敏 度。
[000引人们对抑制RAM对FMS的影响提出了很多实验方法。最初人们通过仔细地、周期 性地调整相关光学元件的参数来抑制RAM,但是该种主动调整的办法在弱信号条件下就不 再实用也很不方便。Levenson等人使用双调制的方法来抑制RAM,但该种方法使得探测信 号成为脉冲信号，对于气体检测该种需要长时间监视FM信号的应用是不适用的。1985年 N.C.Wong和J.L.化11将无气体吸收时的频率调制信号作为误差信号反馈到电光调制器 上，利用晶体e轴折射率与加载到E0M上偏置电压的依赖关系，补偿E0M双折射产生的相位 差来抑制RAM信号，该种方法成为之后RAM抑制的最基本方法。近年来，Foltynowicz等使 用了一种在0轴方向不对光进行调制的新型光纤电光调制器，该样即使线偏振角度与E0M 光轴未准直，也不会产生双调制的现象，因此不会产生RAM。山西大学采用H-C检偏装置检 ^UEOM输出光偏振态的变化，从输出光的线偏振态判别是否产生了双调制，将H-C误差信号 反馈到电光调制器中，补偿了双折射引起的相位差从而抑制RAM。
[0004] 但是现有的技术方案多是将调制信号加载到电光调制器巧0M)上，使得用于痕 量、气体探测时E0M内存在双调制导致射频信号保真度降低的技术问题，因此非常需要一 种能够有效避免E0M产生双调制W使射频信号保真度高的装置及方法。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决现有技术在对频率调制光谱的残余幅度调制进行抑制时，多是将调 制信号加载到电光调制器巧OM)上，使得用于痕量、气体探测时EOM内存在双调制导致射频 信号保真度降低的技术问题，提供一种基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装 置及方法。
[0006] 本发明所述的基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制装置是采用W下 技术方案实现的；一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置，包括DFB激光 器、位于DFB激光器出射光路上的起偏器，起偏器的出射端通过光纤连接有偏振旋转器，偏 振旋转器的出射端通过光纤连接有电光调制器；电光调制器的出射端设有一个分光镜，分 光镜的反射光路上顺次设有四分之波片和偏振分束棱镜，偏振分束棱镜的反射光路上设有 第一光电探测器，透射光路上设有第二光电探测器，第一、第二光电探测器均为低频响应 光电探测器；两个光电探测器相同且共同连接有减法器；减法器的信号输出端顺次连接有 PID和高压放大器，高压放大器的信号输出端与偏振旋转器的电压控制端口相连接。
[0007] 本发明所述的基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制方法是采用W下技 术方案实现的：一种基于偏振旋转器的频率调制光谱中残余幅度抑制方法，DFB激光器出 射的激光经过起偏器后禪合到偏振旋转器的入射端光纤中，并经由偏振旋转器的出射端光 纤入射至电光调制器的入射端光纤中；从电光调制器出射端光纤出射的激光由分光镜分为 两束，其中反射光通过四分之波片和偏振分束棱镜后，被分为两束偏振方向相互垂直的线 偏振光，并分别被第一、第二光电探测器探测，两个光电探测器将探测到的信号转换成相应 的电信号，两路电信号由减法器相减得到H-C误差信号；H-C误差信号通过PID和高压放大 器后反馈给偏振旋光器，通过PID对H-C误差信号做放大和积分，由偏振旋光器实现电光调 制器中的入射光偏振方向与电光调制器中晶体本身的e轴重合，从而抑制残余幅度调制。 [000引与现有的实验方法相比，本发明通过闭环反馈补偿偏振方向和电光晶体e轴之间 由于环境原因产生的夹角是一种全新的抑制电光调制器产生的RAM的方案。该方案通过反 馈控制使入射光的偏振角度时刻与EOM的e轴重合，使EOM内不产生双调制，使得RAM无法 产生。同时，反馈信号无需通过偏压器加载到EOM上，避免了反馈信号对加载与EOM上射频 信号的干扰。
[0009] W下是关于本发明的理论分析。
[0010] 一束线偏激光通过偏振旋转器入射至电光调制晶体时，其偏振方向与xOy坐标系 X轴的夹角为0，为了简化计算，令电光晶体的e轴与X轴重合，0轴与y轴重合。入射光 场&。分解在X轴和y轴上为；
[0011] ￡化=E inCos日exp (-i ?〇t)巧化sin日exp (-i ?〇t)
[0012] = Exexp(-i ?〇t)+Eyexp(-i ?〇t) (1)
[001引其中为入射光的角频率。给EOM施加角频率为《m的调制电场则EOM透射光 场Et成为：
[0014] Et= E x6xp (_i ?〇t) exp [_i (e+ 5 eSin ?mt)]
[0015]巧yexp(-i ?〇t)exp[-i (4。+50sin?mt)] (2)
[0016] 其中<K，。为光场在晶体e轴和o轴上产生的相位延迟，5。，。为调制信号产生的相 位延迟。
[0017] 分光镜的透射光路一般用于穿过待测样品气体，穿过样品气体的激光被第=光电 探测器接收并进行分析。没有待测样品气体时，第=光电探测器探测到的光强信号为：
【主权项】
1. 一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置，其特征在于，包括DFB激 光器（1 )、位于DFB激光器（1)出射光路上的起偏器（2 )，起偏器（2 )的出射端通过光纤连接 有偏振旋转器（3)，偏振旋转器（3)的出射端通过光纤连接有电光调制器（4);电光调制器 (4)的出射端设有一个分光镜（5)，分光镜（5)的反射光路上顺次设有四分之波片（6)和偏 振分束棱镜（7)，偏振分束棱镜（7)的反射光路上设有第一光电探测器（9)，透射光路上设 有第二光电探测器（10)，第一、第二光电探测器均为低频响应光电探测器；两个光电探测 器相同且共同连接有减法器（11);减法器（11)的信号输出端顺次连接有PID (12)和高压 放大器（13)，高压放大器（13)的信号输出端与偏振旋转器（3)的电压控制端口相连接。
2. -种采用如权利要求1所述基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置对 频率调制光谱中的残余幅度进行抑制的方法，其特征在于，DFB激光器（1)出射的激光经过 起偏器（2)后耦合到偏振旋转器（3)的入射端光纤中，并经由偏振旋转器（3)的出射端光纤 入射至电光调制器（4)的入射端光纤中；从电光调制器（4)出射端光纤出射的激光由分光 镜（5)分为两束，其中反射光通过四分之波片（6)和偏振分束棱镜（7)后，被分为两束偏振 方向相互垂直的线偏振光，并分别被第一、第二光电探测器探测，两个光电探测器将探测到 的信号转换成相应的电信号，两路电信号由减法器（11)相减得到H-C误差信号；H-C误差信 号通过PID (12)和高压放大器（13)后反馈给偏振旋转器（3)，通过PID对H-C误差信号做 放大和积分，由偏振旋转器（3)实现电光调制器（4)中的入射光偏振方向与电光调制器（4) 中晶体本身的e轴重合，从而抑制残余幅度调制。
3. -种痕量气体探测装置，包括如权利要求1所述的基于偏振旋转的频率调制光谱 中残余幅度抑制装置；其特征在于，还包括气体检测系统，所述气体检测系统包括顺次位于 分光镜（5)的透射光路上的待测气体样品池（8)和第三光电探测器（14)，第三光电探测器 (14)的信号输出端连接有功率放大器（15);所述气体检测系统还包括一个用于产生正弦 信号的射频源（16)，射频源（16)的一个信号输出端与电光调制器（4)的电压调制端口相连 接，另一个信号输出端顺次连接有移相器（17)、混频器（18)、低通滤波器（19)以及计算机 (20);减法器（11)的信号输出端也与计算机（20)相连接；所述功率放大器（15)的信号输 出端与混频器（18)信号输入端相连接。
4. 如权利要求3所述的痕量气体探测装置，其特征在于，所述第三光电探测器（14)采 用高速探测器。
【专利摘要】本发明属于激光痕量气体检测领域，主要是一种基于偏振旋转的频率调制光谱中残余幅度抑制装置及方法。本发明解决了现有技术在对频率调制光谱的残余幅度调制进行抑制时，多是将调制信号加载到电光调制器（EOM）上，使得用于痕量气体探测时EOM内存在双调制导致射频信号保真度降低的技术问题，提出了一种频率调制光谱中残余幅度调制抑制的新方案，可用于痕量气体检测，具体是使用偏振旋光器作为反馈控制器件，响应带宽为500kHz，可以快速补偿偏振角度的变化；同时通过偏振控制器反馈控制EOM入射光偏振方向与电光调制晶体e轴的夹角，对EOM无施加额外信号，提高了射频信号的保真度；对系统的输入输出光的偏振态检测与反馈降低了整套装置的复杂度。
【IPC分类】G01N21-39
【公开号】CN104749136
【申请号】CN201510197508
【发明人】谭巍, 马维光, 邱晓东
【申请人】山西大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月22日