一种抑制电流开启波长重复扫描影响的流控CRDS技术的制作方法

本发明涉及激光谱技术领域，尤其涉及一种抑制电流开启波长重复扫描影响的流控crds技术。

背景技术：

从威胁人类安全生存的大气污染问题到提升人类生活水平的现代工、农业的发展、再到先进制造行业如半导体、芯片的规模生产，最后到深海、青藏高原科考、极地探测、大型风洞以及基础科学研究等领域，痕量气体尤其是超灵敏痕量气体检测扮演着关键的角色，极大地影响着上述领域的快速发展。激光吸收光谱技术是当激光的频率与目标分子能级共振时，激光会被分子吸收，利用吸收量的大小可以确定出分子的粒子数浓度，由于其灵敏度及分辨率高的优点被广泛的应用于痕量气体检测领域。然而由于噪声的限制，直接吸收的探测灵敏度受系统探测噪声的限制，灵敏度较低。在激光直接吸收光谱技术上发展的测量气体的激光谱技术有很多种，而腔衰荡光谱方法利用高精细度光学腔，有效吸收长度可长达数十千米，测量不受激光功率波动的影响等从而具有很高探测灵敏度。

在过去近20多年间，各种crds(腔衰荡光谱技术)方案都曾被提出和应用，它们各具特色、相辅相成。譬如，根据选用的激光源类型，crds(腔衰荡光谱技术)可分为脉冲型和连续光波型两种。其中，连续波腔衰荡光谱技术因具有更高的光谱分辨率、更强的腔输出光功率且可采用通信领域常用的半导体激光器作为光源而备受科技工作者的青睐，是目前国际上商业化高精度气体分析仪(如tigeroptics及picarro等公司的系列产品)的首选方案。

而传统的crds(腔衰荡光谱技术)是由激光器出射的激光通过声光调制器(aom)进入高精细度衰荡腔，然后由光电探测器来探测透射信号，探测到的信号分为两路，一路进入阈值电路，用以驱动aom来关断激光从而产生腔衰荡信号。另一路则进入控制电路进行衰荡信号的采集及数据处理。由于aom价格高昂、装置复杂、体积大、其驱动功放发热量大等缺点，限制了腔衰荡光谱检测系统的集成。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种抑制电流开启波长重复扫描影响的流控crds技术，对电流斩光中出现的激光波长重复扫描问题提出了新的解决方式。

为实现本发明目的而提供的一种抑制电流开启波长重复扫描影响的流控crds技术，包括有驱动电路模块以及中央处理器cpu，所述驱动电路模块集温度控制模块、驱动电流源模块、阈值电路、dfb激光器以及pd信号控制电路，所述驱动电路模块驱动dfb激光器出射激光到光分束器，激光经过光分束器分为两个部分：一部分经过匹配透镜和光学隔离器进入衰荡腔中，其信号被光电探测器探测；另一部分经过波长校准模块后进入模数转换器中，其中，光电探测器的探测信号也分为两路：一路反馈给驱动电路模块中的阈值电路部分，驱动驱动电路模块中的驱动电流源模块，快速关闭dfb激光器的输入电流，代替声光调制器以达到斩断激光的效果，进而产生衰荡腔信号；另一路进入模数转换器中，与经过波长校准模块的信号一起送入计算机中，进行波长校准、衰荡信号的采集及数据处理，所述中央处理器cpu的信号分为三路，第一路输出扫描激光波长的三角波信号到驱动电路模块中的驱动电流源模块；第二路产生触发信号给模数转换器进行数据采集；第三路产生四阶梯波，控制高压放大器驱动衰荡腔的pzt周期性改变腔长。

作为上述方案的进一步改进，当驱动电路模块中阈值电路作用于驱动电流源模块再次开启时，触发光电探测器信号控制电路，在短时间内关断光电探测器的输出信号，以避免激光波长重复扫描在衰荡腔检测中带来的误差。

作为上述方案的进一步改进，所述驱动电路模块利用阈值电路通过光电探测器对衰荡腔内激光强度进行监测，当衰荡腔内的激光强度达到设定的阈值时，触发驱动电路模块中的驱动电流源模块对dfb激光器的电流进行迅速关断，使衰荡腔内的激光强度随时间自由衰减，当衰减完成时，阈值电路信号的上升沿控制驱动电流源模块开启dfb激光器，由于在dfb激光器再次开启时，驱动电流源模块电流的变化会使激光波长在短时间内达不到斩断前的稳定状态，出现激光波长过冲，产生波长重复扫描效应，进而出现干扰腔模，干扰腔模在这段激光非稳态的过程中也可能会触发阈值电路斩断激光，因此，可利用阈值电路的上升沿，在控制驱动电流源开启的同时产生触发信号，触发光电探测器信号控制电路短时间内关断光电探测器输出的信号，由于光电探测器的输出信号被关断，所以在激光非稳态过程中，出现的干扰腔模会被光电探测器滤掉，进而消除激光波长的不稳定性对检测系统的影响。

作为上述方案的进一步改进，所述衰荡腔的透射信号聚焦到光电探测器上，光电探测器的信号也被分为两路：第一路反馈回驱动电路模块中的阈值电路部分，当激光与衰荡腔共振时，在衰荡腔的透射端探测到的信号幅度增加，在信号幅度达到通过阈值调节旋钮设定的阈值时，阈值电路就会触发衰荡腔的电流驱动模块通过切断其注入电流迅速关断激光，激光在衰荡腔内来回反射，透射光强度因腔内吸收损耗而不断减弱，在腔后探测透射光强度变化，可得到激光强度随时间不断减弱的衰荡信号，此关断时间可由阈值脉宽调节旋钮控制，在保证衰荡腔内激光强度的衰减过程完成以后，再产生两个触发信号，第一个信号控制驱动电路模块的驱动电流源模块开启其注入电流迅速打开光路，第二个触发pd信号控制电路关断，在激光开启后5ms内，光电探测器对干扰腔模信号的响应，抑制波长的重复扫描，与此同时，第二路信号给到模数转换器采样光电探测器的衰荡信号，经过光分束器的第二路激光通过波长校准模块对扫描的激光波长进行定标，定标激光波长的etalon信号也同衰荡信号一起进入模数转换器中。

作为上述方案的进一步改进，所述驱动电路模块体积为80mm*40mm，其上集成设置有温度控制模块，设置有温度调节旋钮，可调节dfb激光器温度范围为15℃-35℃；阈值电路设置有阈值调节旋钮，可调节触发阈值为0，1v-4，5v；阈值脉宽调节旋钮，可调节脉宽为1-20ms以及上述的pd信号控制电路关断时间调节旋钮，可调节时间为1ms-15ms，其中，驱动dfb激光器的电流工作范围为0-110ma。

作为上述方案的进一步改进，所述衰荡腔的腔主体为超低热膨胀系数的殷钢材料，其膨胀系数小于10^-7/℃，腔长为25cm，自由光谱区fsr≈600mhz，衰荡腔的腔体两端采用超低损耗离子溅射镀膜技术镀制的高反膜率腔镜，然后用光学真空胶固定在腔体的两个端面上，同时为了使腔长能够调谐，在其中一个腔镜前粘接高性能压电陶瓷推拉腔镜，来改变腔纵模的位置，由此增加光谱分辨率。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用了对驱动电路模块上的驱动电流源输出电流的控制，进而控制dfb激光器激光功率的斩断及开启，且开启和斩断时间达到ns量级；

2.本发明利用在波长不稳定时，关闭光电探测器对腔模信号的响应，抑制了由于电流斩断激光而产生的激光波长重复扫描；

3.本发明在一块尺寸80mm*40mm电路板上集成温度控制模块，驱动电流源模块，阈值电路模块以及dfb激光器安装底座，这种新方式节省了系统成本、减少了系统体积，从而为其工程化、便携化提供条件；

4.本发明技术方案相比于其它类型的衰荡腔光谱技术方案而言，这种由电流控制系统具有器件少、信号信噪比高、光谱分辨率高，以及抗震性能优良等优点。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为抑制电流斩断而产生的波长重复扫描效应的衰荡腔光谱检测装置图；

图2为实验测得的在气体吸收线的位置由于电流斩断后出现的激光波长重复扫描效应；图中凹陷曲线为激光在气体直接吸收的位置，方波信号为利用电流调制在吸收线位置斩断激光后出现的激光波长过冲；

图3为抑制波长重复扫描原理图：其中，(a)为由于电流斩光而导致波长不稳定时，光电探测器探测到的主腔模和干扰腔模信号；(b)为存在干扰腔模的情况下，阈值电路对激光开断的响应；(c)为光电探测器探测到的包括主腔模和干扰腔模的衰荡信号；(d)为利用阈值电路的上升沿触发pd信号控制电路，在干扰腔模存在的tf时间内关断光电探测器对腔模信号的响应，进而抑制干扰腔模；(e)为滤除干扰腔模后，阈值电路诱发的激光开断；(f)为滤除干扰腔模后，光电探测器探测到的光谱检测所需的主腔模信号；

其中，1为驱动电路模块，2为光分束器，3为匹配透镜，4为光学隔离器，5为衰荡腔，6为光电探测器，7为波长校准模块，8为模数转换器，9为计算机，10为高压放大器，11为中央处理器cpu。

具体实施方式

如图1所示，由中央处理器cpu产生5hz的三角波扫描信号，扫描驱动电路模块中的驱动电流源，产生的激光经过光分束器后分为两部分：一部分经匹配透镜和光学隔离器后进入衰荡腔，和气体相互作用后驱动电路模块中的阈值电路和pd信号控制电路将过滤掉干扰腔模后的主腔模(如图3所示)，全部转换为衰荡信号被光电探测器探测，并送给模数转换器；另一部分经准直器后进入波长校准模块，记录每一衰荡触发时刻的etalon幅度，同时送给模数转换器。由中央处理器cpu产生的1hz方波信号，触发模数转换器采集5个三角波周期的光电探测器信号，通过计算机拟合每个衰荡信号，获得衰荡时间，记录衰荡时间对应的etalon幅度，依照校准模式获得的多项式确定出相对波长值。中央处理器cpu同时产生与1hz同步的重复频率为0.25hz的四阶梯波，通过高压放大器驱动衰荡腔的pzt周期性改变腔长。计算机将四个台阶腔长下的相对波长值和与其对应衰荡时间进行分箱平均组合后获得一个光谱信号。采用洛伦兹函数对光谱线型进行拟合，确定气体浓度。

所述驱动电路模块利用阈值电路通过光电探测器对衰荡腔内激光强度进行监测，当衰荡腔内的激光强度达到设定的阈值时，触发驱动电路模块中的驱动电流源模块对dfb激光器的电流进行迅速关断，使衰荡腔内的激光强度随时间自由衰减，当衰减完成时，阈值电路信号的上升沿控制驱动电流源模块开启dfb激光器，由于在dfb激光器再次开启时，驱动电流源模块电流的变化会使激光波长在短时间内达不到斩断前的稳定状态，出现激光波长过冲，产生波长重复扫描效应(如图2所示)，进而出现干扰腔模，干扰腔模在这段激光非稳态的过程中也可能会触发阈值电路斩断激光。因此，我们利用阈值电路的上升沿，在激光器再次开启的同时产生触发信号，触发光电探测器信号控制电路短时间内关断光电探测器输出的信号。由于光电探测器的输出信号被关断，所以在激光非稳态过程中，出现的干扰腔模会被光电探测器滤掉，进而消除激光波长的不稳定性对检测系统的影响(如图3所示)。由图2可知激光的斩断非常迅速，但在激光开启时，由于驱动电流源的电流从零开始增加，导致激光波长过冲。从图2中，显示激光开启到恢复稳定所需的最长时间约为5ms，且经过测试不同的dfb激光器从开启到恢复波长稳定状态的时间有所不同。由图2实验测得，激光波长的重复扫描时间在5ms左右，且不同dfb激光器由于性能参数不同，其波长重复时间也不同。所以，我们在驱动电路模块中设置关断时间可调节为1ms-15ms的范围内，满足不同dfb激光器的需求。在crds(腔衰荡光谱技术)中，为了准确的测量衰荡腔内光子的寿命，关断激光的过程要求要非常迅速。实测驱动电路模块的激光斩断速度为200ns左右，激光开启速度为100ns左右，远小于空衰荡腔时间。由于其装置简单、操作便利、成本低廉，且我们消除了由于电流斩断而产生的干扰信号，因此可以代替声光调制器，作为一种由电流控制的光开关。其次利用驱动电路模块中的驱动电流源模块可以对dfb激光器的电流进行调谐，实现激光波长扫描，由此实现衰荡腔内气态介质的吸收光谱测量或者浓度检测。

同时我们在体积为80mm*40mm的驱动电路模块上增加了：温度控制模块，设置有温度调节旋钮，可调节dfb激光器温度范围为15℃-35℃；阈值电路设置有阈值调节旋钮，可调节触发阈值为0.1v-4.5v；阈值脉宽调节旋钮，可调节脉宽为1-20ms以及上述的pd信号控制电路关断时间调节旋钮，可调节时间为1ms-15ms。其中，驱动dfb激光器的电流工作范围为0-110ma。

本实例中采用的dfb激光器为可调谐分布反馈式激光器，为日本nel公司生产的1578nm硫化氢dfb激光器，作为光源。dfb激光器在温控以及电流的驱动下工作，其发射出的激光由分光比为1：1的光分束器的分为两个部分。第一部分进入匹配透镜和光学隔离器以进行模式匹配，当衰荡腔纵模位置与激光频率重合时，激光耦合进充有待测气体的衰荡腔内，并在其腔内形成稳定谐振。

实例中，我们搭建的衰荡腔如下：腔主体为超低热膨胀系数的殷钢材料，其膨胀系数小于10^-7/℃，腔长为25cm，自由光谱区fsr≈600mhz。腔体两端采用超低损耗离子溅射镀膜技术镀制的高反膜率腔镜(腔的精细度约为10万)，然后用光学真空胶固定在腔体的两个端面上。同时为了使腔长能够调谐，在其中一个腔镜前粘接高性能压电陶瓷推拉腔镜，来改变腔纵模的位置，由此增加光谱分辨率。

衰荡腔的透射信号聚焦到光电探测器上，光电探测器的信号也被分为两路。第一路反馈回驱动电路模块中的阈值电路部分，当激光与衰荡腔共振时，在衰荡腔的透射端探测到的信号幅度增加，在信号幅度达到我们通过阈值调节旋钮设定的阈值时，阈值电路就会触发衰荡腔的电流驱动模块通过切断其注入电流迅速关断激光。激光在衰荡腔内来回反射，透射光强度因腔内吸收损耗而不断减弱，在腔后探测透射光强度变化，可得到激光强度随时间不断减弱的衰荡信号。此关断时间可由阈值脉宽调节旋钮控制，在保证衰荡腔内激光强度的衰减过程完成以后，再产生两个触发信号，第一个信号控制驱动电路模块的驱动电流源模块开启其注入电流迅速打开光路，第二个触发pd信号控制电路关断在激光开启后5ms内光电探测器对干扰腔模信号的响应，抑制波长重复扫描效应。与此同时，第二路信号给到模数转换器采样光电探测器的衰荡信号。

经过光分束器的第二路激光通过波长校准模块对扫描的激光波长进行定标，定标激光波长的etalon信号也同衰荡信号一起进入模数转换器中。

中央处理器是自制的arm芯片，其作用是：

(1)输出扫描激光波长的三角波信号到驱动电路模块中的驱动电流源模块；

(2)产生与(1)同步的方波触发信号到模数转换器中，触发模数转换器和高速数据采集卡及计算机采集etalon信号与衰荡信号；

(3)产生与(2)同步的四阶梯波，通过高压放大器驱动衰荡腔上的压电陶瓷，压电陶瓷周期性的改变腔长，从而改变腔模的位置增加了光谱信号的点数，并由此增加光谱分辨率。

计算机根据阶梯波所对应的4个腔长下采样的衰荡信号和etalon信号进行计算组合后获得光谱信号，然后对光谱线型进行拟合，确定气体浓度。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。