一种基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置

本发明属于激光光谱领域，具体涉及一种基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置。

背景技术：

随着人类社会的进步和科技的飞速发展，环境污染问题变得愈发显著，其中空气污染对人们的身体健康有极大地负面作用，近年患有呼吸系统疾病的人数与日俱增，渐渐成为导致人类死亡的主要原因之一，因此对有害气体的超灵敏检测至关重要。同时，工业、农业的发展以及科学研究等领域，超灵敏痕量气体检测也扮演着至关重要的角色。

激光吸收光谱技术不同于其他光谱吸收技术，激光的强度很高，足以抑制检测器中产生的噪声干扰，同时激光的准直性还有利于采用多光程池或腔增强技术，以增加气体的吸收路径。所有这些特点均可提高气体的检测灵敏度。

腔增强光谱(ceas)技术由于大大增加了系统的吸收路径因而显著提高系统的探测灵敏度，实现腔增强吸收光谱技术最简单的方法是测量腔模的幅度即直接ceas，然而当腔两侧高反镜反射率增高后，腔模线宽会变得非常窄，一般采样率的数据采集设备很难准确的捕捉到腔模的幅度；同时由于激光器线宽远大于腔模线宽，导致只有少部分的激光频率与腔共振，因此腔透射功率会非常低。综上所述，直接ceas很难实现气体吸收光谱的准确测量。

光学反馈腔增强吸收光谱技术(of-ceas)可以很好地解决宽线宽激光器在与高精细度腔耦合过程中出现的耦合效率低下的问题。2005年，j.morville等人首次提出of-ceas，其基于三镜v型腔，使用光学反馈实现了高灵敏ceas。由于v型腔可以很轻易地防止第一束腔前镜反射光射入激光器，从而避免了非谐振场的反馈影响。但是由于v型腔相对于线性f-p腔多增加了一个腔镜，从而产生了更大的腔镜损耗，同时震动对v型腔也有较大的影响。2013年ritchie组发展了基于线性f-p腔的光学反馈腔增强吸收光谱技术，为了抑制第一束腔前镜反射光对光学反馈的影响，故意使激光与腔的模式不匹配，造成第一束腔前镜反射光的光束较大，并通过小孔光阑将其滤掉。但是由于激光-腔模式不匹配，导致光无法完全耦合进入光腔，损失了大量光学腔透射光功率。因此本申请发明了一种新型的、基于线性f-p腔的of-ceas装置，进一步通过调节反馈相位使得第一束腔前镜反射光不产生光学反馈，因此无需模式失配即可实现基于线性f-p腔的光学反馈腔增强。

技术实现要素：

针对上述问题本发明提供了一种基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置，使用时通过调节反馈相位使得第一束腔前镜反射光不产生光学反馈，从而实现气体的高灵敏检测。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置，包括dfb激光器、精密位移台、半导体激光控制器、函数发生器、匹配透镜、反射镜、固定在压电陶瓷的反射镜、可调谐空间衰减器、双镜线性f-p腔、聚焦透镜、铟镓砷雪崩光电探测器、计算机；所述dfb激光器作为光源并固定在精密位移台上，所述半导体激光控制器控制dfb激光器的温度及电流，所述半导体激光控制器的激光输出频率由函数发生器扫描激光驱动电流来调谐，所述dfb激光器发射的激光依次经过匹配透镜、反射镜、固定在压电陶瓷的反射镜、可调谐空间衰减器、双镜线性f-p腔，所述双镜线性f-p腔透射出的激光通过聚焦透镜汇聚到铟镓砷雪崩光电探测器后通过高速数据采集卡送入计算机，使用labview程序记录并处理腔模信号。

进一步，所述装置还包括高压放大器，所述高压放大器控制压电陶瓷的长度，所述高压放大器的输出电压由计算机控制。

进一步，所述dfb激光器安装在散热底座内后固定在所述精密位移台上；所述散热底座的后侧设有安装孔，用于安装dfb激光器，所述安装孔的前面设有通孔，所述安装孔的一侧设有螺纹孔，用于与精密位移台固定，所述安装孔的正下方设有凹槽，用于固定dfb激光器，所述安装孔和通孔的轴心在同一水平线，所述螺纹孔的轴心线与安装孔的轴心线垂直，所述通孔的直径小于安装孔的直径。

进一步，所述装置还包括真空泵、气压计，所述双镜线性f-p腔的一侧设有进气口，另一侧设有出气口，所述出气口通过三通与真空泵、气压计连接，实现腔内气压的精准控制。

进一步，所述双镜线性f-p腔由一对反射率为99.57％的高反镜组成，腔精细度为700，腔模式线宽为500khz，腔体选用热膨胀系数超低的微晶玻璃材料，腔体长39.4cm，与之相应自由光谱区为380mhz。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明采用线性f-p腔实现了光学反馈，并通过调节反馈相位使得第一束腔前镜反射光不产生光学反馈，因此无需模式失配即可实现基于线性f-p腔的光学反馈腔增强。

2.本发明简化了光路，缩小了装置的整体大小。

3.本发明利用腔模对称性编写labview程序，程序编写和运行过程简单、方便。

附图说明

图1为基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置的示意图；

图2为散热底座的结构示意图；

图3为有无光学反馈的光学腔透射信号，图3(a)不存在光学反馈的光学腔透射信号；图3(b)存在光学反馈时的光学腔透射信号；

图4为不同反馈相位值时采集到的腔模透射信号，其中图4(a)和图4(b)分别对应于在不同方向相位偏差下的腔模透射信号；

图5为测量的空腔透射腔模；

图6为当地大气压下(699.2torr)ch4气体的吸收光谱；

图7为利用labview程序采集每个透射腔模信号的峰值得到的无吸收背景信号及ch4吸收曲线；

图中，1-dfb激光器、2-精密位移台、3-半导体激光控制器、4-函数发生器、5-匹配透镜、6-反射镜、7-固定在压电陶瓷的反射镜、8-可调谐空间衰减器、9-双镜线性f-p腔、10-聚焦透镜、11-铟镓砷雪崩光电探测器、12-计算机、13-高压放大器、14-真空泵、15-气压计、16-散热底座、161-安装孔、162-通孔、163-螺纹孔、164-凹槽。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于光学反馈的近红外线性腔增强吸收光谱装置，包括dfb激光器1、精密位移台2、半导体激光控制器3、函数发生器4、匹配透镜5、反射镜6、固定在压电陶瓷的反射镜7、可调谐空间衰减器8、双镜线性f-p腔9、聚焦透镜10、铟镓砷雪崩光电探测器11、计算机12、高压放大器13、真空泵14、气压计15；

所述dfb激光器1作为光源并固定在精密位移台2上，所述半导体激光控制器3控制dfb激光器1的温度及电流，所述半导体激光控制器3的激光输出频率由函数发生器4扫描激光驱动电流来调谐，所述dfb激光器1发射的激光依次经过匹配透镜5、反射镜6、固定在压电陶瓷的反射镜7、可调谐空间衰减器8、双镜线性f-p腔9，所述双镜线性f-p腔9透射出的激光通过聚焦透镜10汇聚到铟镓砷雪崩光电探测器11后通过高速数据采集卡送入计算机12，使用labview程序记录并处理腔模信号。所述高压放大器13控制压电陶瓷的长度，所述高压放大器13的输出电压由计算机12控制。所述dfb激光器1安装在散热底座16内后固定在所述精密位移台2上；所述散热底座16的后侧设有安装孔161，用于安装dfb激光器1，所述安装孔161的前面设有通孔162，所述安装孔161的一侧设有螺纹孔163，用于与精密位移台2固定，所述安装孔161的正下方设有凹槽164，用于固定dfb激光器1，所述安装孔161和通孔162的轴心在同一水平线，所述螺纹孔163的轴心线与安装孔161的轴心线垂直，所述通孔162的直径小于安装孔161的直径。所述双镜线性f-p腔9的一侧设有进气口，另一侧设有出气口，所述出气口通过三通与真空泵(14)、气压计(15)连接，实现腔内气压的精准控制。

所述dfb激光器1为eblana，ttp190719243，to封装的dfb激光器，通过调节精密位移台2上的旋钮可以控制双镜线性f-p腔9前镜和dfb激光器1的距离，使之粗略等于双镜线性f-p腔长的整数倍。dfb激光器1的频率调谐是通过函数发生器4输出的三角波信号扫描半导体激光控制器3的驱动电流来实现的。激光依次经过匹配透镜5、反射镜6、固定在压电陶瓷的反射镜7、可调谐空间衰减器8后进入双镜线性f-p腔9。其中距离腔体最近的反射镜为固定在压电陶瓷的反射镜7，压电陶瓷(pzt)的长度可以由高压放大器13控制，通过改变pzt的长度以实现对光程的精细调节，而可调谐空间衰减器8的作用是控制谐振场的反馈率。

本发明中，双镜线性f-p腔9由一对反射率为99.57％的高反镜组成，腔精细度大约是700，腔模式线宽大约为500khz。腔体选用了热膨胀系数超低的微晶玻璃材料，腔体长39.4cm，与之相应的fsr(自由光谱区)为380mhz左右。当激光频率调谐到恰巧与光学腔共振时，激光会在腔内稳定谐振。腔体透射出的激光由聚焦透镜聚焦到探测器(thorlabs，apd110c/m)后输出到数据采集卡中，并由计算机通过labview程序进行记录和处理。本发明的腔内气压控制是通过三通将气压计15、真空泵14与腔体相连来实现的。

在有无光学反馈时探测器采集到的腔模信号如图2所示，通过扫描激光频率获得连续的腔模信号。图3(a)所示的是在没有光学反馈现象时的腔模信号，在光路中添加光隔离器部件可以有效抑制光学反馈以获得无反馈的腔模信号。因为dfb激光器的线宽比腔模式线宽宽很多，导致激光只有少部分可以耦合到腔内，此时探测到的腔透射光模式杂乱且上下起伏，如果直接使用这样的模幅度来测量吸收，由于采样率的限制，无法采集到完整的腔模信号进而获得完整的腔增强吸收信号。去掉光隔离器得到了接近10^-4的反馈率，通过控制pzt的长度使得光程等于腔长的整数倍，当有激光频率与光腔共振时，腔内的共振光场沿光路返回射入激光器对其产生光学反馈，使激光器的输出频率被锁定在共振频率处，大大提高了激光对腔的耦合效率，提升了腔模峰值的稳定性，此时可以观察到腔模的加宽如图3(b)所示。同时，由于高阶横模的反馈相位无法满足光学反馈要求，不会被加宽，因此，对比图3(a)无反馈时的腔模信号可以看到纵模幅度与高阶横模幅度的比值大大增加。

当反馈相位不满足2nπ(n为正整数)时，腔模信号如图4所示。通过改变pzt的驱动电压完成对反馈相位的精确调谐。图4(a)和图4(b)分别对应于在不同方向相位偏差下的腔模透射信号。可以发现，当反馈相位发生改变时，透射腔模出现了不对称的形态。反馈相位主要受光路长度变化影响，温度漂移以及振动都会改变光路长度，从而影响反馈相位，因此反馈相位需要实时控制。本发明中，误差信号是通过判断腔模不对称的方向和大小产生的，并实时反馈控制pzt伸缩，进而使反馈相位恰到好处。通过分别积分腔模的左侧和右侧产生误差信号的原理编写labview程序。误差信号在经过比例运算之后输出到高压放大器，进而控制pzt的伸缩，实现了对相位的动态控制，此时腔模会始终维持在如图3(b)所示的状态。

通过测量ch4在1653.72nm处的三条相互叠加的吸收线(吸收线强度大约为1.4×10^-21cm^-1/mol·cm^-2)，对甲烷的吸收光谱进行精确测量。首先通过测量真空状态下的无吸收信号得到背景信号如图5。图中通过函数发生器输出三角波以扫描激光的输出频率，并在80ms内产生了100个左右的腔模，相对应的频率扫描范围约为38ghz。图中的每个单一腔模都是如图3(b)所示的轴对称的拱门形。之后将32ppm的甲烷表标气充入腔内，并将压强控制在699.2torr(与太原本地的大气压一致)，此时采集到的透射腔模信号如图6所示，可以看到腔模序列中间位置有个由ch4吸收引起的幅度凹陷。

通过将图5和图6中的腔模峰值按相对频率绘制曲线，可以获得图7所示的背景信号及吸收信号，其中相对频率根据腔的自由光谱区获得。

当腔内存在吸收时，腔透射光强的相对变化率可以表示为：

其中i0为背景光强，it为存在吸收时的光强，r为腔镜的反射率，α为气体吸收系数，ν为光学频率。基于此式，便可以通过i0和it反演得到气体的吸收系数，进而得出目标气体的浓度。