一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法

本发明涉及光学谐振腔检测，具体涉及一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法。

背景技术：

1、光学谐振腔用于大气痕量气体的光谱测量，需建立长光程长度l来增强气体吸收。在相移光谱技术中，了解l的大小是正确检索微量气体浓度的基础。而光程长度l与光学镜面反射率r相关，镜片反射率的标定误差很大程度决定了最终的测量误差，目前镜片反射率的标定方法主要包括：

2、1.采用腔衰荡光谱技术，通过测量空腔的衰荡时间来标定镜片反射率；

3、2.采用相移腔衰荡光谱技术，通过测量调制光源的相位转移来标定镜片反射率；

4、3.采样浓度已知的吸收气体标定镜片反射率；

5、4.利用不同气体分子的瑞利散射的差异性标定镜片反射率。

6、对于腔衰荡光谱技术，其最初就是用于测量镜片反射率的，在测量镜片反射率过程中，测量到空气中氧分子微弱吸收信号，此后，腔衰荡光谱技术逐渐用于痕量气体的高灵敏探测。腔衰荡光谱技术标定镜片反射率的方法是通过测量脉冲信号在空腔的衰荡时间来确定该波长处的镜片反射率，空腔的衰荡时间是由镜片反射率和腔长决定：

7、r＝1-d/(c·τ0)

8、式中，d为腔长，c为光速，τ0为本地衰荡时间。对于实际测量而言，空腔通常是指腔内充满氮气或零空气，而没有被测气体。因此，在这种情况下标定出的镜片反射率包含了背景气体的ray l e i gh散射吸收。

9、对于相移腔衰荡光谱法，相移技术最早是由herbe l i n等人于1980年提出，用于测量光子在谐振腔中的寿命和谐振腔的反射率的，是通过对led光谱所使用的光源进行调制，测定在腔内相位转移来标定镜片反射率。

10、对于浓度已知气体吸收光谱法，标定镜片反射率的目的是为了定量测量被测气体的浓度，反之，如果事先知道被测气体或其它气体的浓度，通过测量其吸收光谱，则可以得到组成光学腔的镜片反射率大小。镜片反射率的表达式可以写为：式中，σ(λ)是浓度已知气体的吸收截面；n是已知的分子数浓度，d为腔长，i0和i分别为腔内有无吸收气体时的出射光强。

11、对于ray l e i gh散射差异法，对于光强为i0(λ)的光源，腔内的光强i in(λ)随时间的变化率与光源i0(λ)耦合进入谐振腔的效率、腔内反射引起的光强损耗、腔内气体的ray l e i gh散射和粒子m i e散射以及痕量气体的吸收有关，具体可表示为：

12、

13、其中，αray(λ)为ray l eigh散射系数，αmie(λ)为mie散射系数，αi(λ)为第i种痕量气体的吸收系数，r(λ)为镜片反射率，d为腔长，c为光速，ks为光强耦合系数。采用ray leigh散射差异法对镜片反射率的标定相对简单，可适用于紫外和可见任何波段。

14、基于上述的多种手段，有效光程l(λ)或镜面反射率r(λ)校准技术都存在一定的缺陷：

15、1.腔衰荡光谱法通常使用激光光源，其准直性好，几何损耗明显小于腔衰减相移光谱实际测量时使用的非相干光源，则标定的镜片反射率会相应偏高，因此腔衰荡技术很少实际用于腔衰减相移光谱测量中的镜面反射率标定；

16、2.采用浓度已知气体吸收光谱法标定镜片反射率，需要这种气体在标定波段内存在吸收，只能在特定情况下使用；

17、3.传统腔衰荡相移光谱法容易受到光输入强度和传输光学器件的漂移的影响。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，可以在相对简单的设置下高分辨率、高精度确定光程长度，从而优化了腔衰减相移光谱的使用。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，包括依次设置的led光源、谐振腔、光学斩波器、光电倍增管pmt、采集卡和电脑，谐振腔与光学斩波器之间采用光纤连接，所述光学斩波器包括入射端平凸透镜和出射端平凸透镜，入射端平凸透镜和出射端平凸透镜之间设置有通过电机驱动的斩波片，所述电机与电机控制器连接，电机控制器由脉冲发生器提供控制信号；所述脉冲发生器还与led电源和调制模块连接；

3、通过脉冲发生器控制led光源以调制频率ν输出；电机控制器控制斩波片转动，使得光学斩波器同样以调制频率ν输出，并调节光学斩波器与led光源输出的相位差

4、获取调制频率ν、相位差led光源的直接调制光强i、光学斩波器的透过率θ(t)，以及随相位差变化通过光电倍增管pmt测量得到总透射率η的集合，由总透射率η的计算公式反演出信号的衰荡时间τ，得到衰荡时间τ的集合，将其拟合并用于计算等效光程长度l。

5、进一步的，总透射率η的计算公式为：

6、

7、上述公式中，ν为调制频率，为相位差，i(t)为随时间变化的直接调制光强，θ(t)为光学斩波器的透过率；

8、通过固定波长和相位，确立实验不同调制频率下直接调制光强、光学斩波器的透过率与总透射率η的基本关系，建立相位差、衰荡时间与总透射率的关系函数，用于在不同的光学斩波器调制相位下计算相应的衰荡时间τ。

9、进一步的，总透射率η的集合通过相位扫描获得，通过总透射率η计算衰荡时间τ，再由衰荡时间τ的集合拟合得到最终衰荡时间τ’，通过最终衰荡时间τ’计算镜片反射率r，根据镜片反射率r计算获得等效光程长度l。

10、进一步的，确定最终衰荡时间τ’后，计算直接调制的光强调制角频率：

11、tanφc＝-ωτ’，其中ω为光强调制角频率，φc为直接调制时谐振腔输出信号相对调制信号的相位转移；

12、镜片反射率r与ω之间的关系为：

13、其中d为谐振腔的腔长，c为光速；

14、从而将镜片反射率r用于等效光程长度l的计算。

15、进一步的，脉冲发生器为led光源的调制模块和光学斩波器的电机提供控制信号，产生具有50％占空比的脉冲信号。

16、进一步的，从谐振腔出射的光通过光纤与入射端平凸透镜投射到斩波片的平面上，物体距离和图像距离相等，用于实现光线聚焦，通过斩波片后，光束由出射端平凸透镜投射至光电倍增管pmt上。

17、进一步的，所述光纤的直径为400μm、数值孔径na＝0.22。

18、本发明的有益效果：

19、通过光学调制的集成校准，可以在相对简单的设置下以高精度确定光程长度，即通过单次测量模式和相位扫描模式的结合应用，方便和改进了光程长度的测定，从而优化了腔衰减相移光谱的使用。

技术特征：

1.一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，包括依次设置的led光源、谐振腔、光学斩波器、光电倍增管pmt、采集卡和电脑，谐振腔与光学斩波器之间采用光纤连接，所述光学斩波器包括入射端平凸透镜和出射端平凸透镜，入射端平凸透镜和出射端平凸透镜之间设置有通过电机驱动的斩波片，所述电机与电机控制器连接，电机控制器由脉冲发生器提供控制信号；所述脉冲发生器还与led电源和调制模块连接；

2.如权利要求1所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，总透射率η的计算公式为：

3.如权利要求2所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，总透射率η的集合通过相位扫描获得，通过总透射率η计算衰荡时间τ，再由衰荡时间τ的集合拟合得到最终衰荡时间τ’，通过最终衰荡时间τ’计算镜片反射率r，根据镜片反射率r计算获得等效光程长度l。

4.如权利要求3所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，确定最终衰荡时间τ’后，计算直接调制的光强调制角频率：

5.如权利要求1所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，脉冲发生器为led光源的调制模块和光学斩波器的电机提供控制信号，产生具有50％占空比的脉冲信号。

6.如权利要求1所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，从谐振腔出射的光通过光纤与入射端平凸透镜投射到斩波片的平面上，物体距离和图像距离相等，用于实现光线聚焦，通过斩波片后，光束由出射端平凸透镜投射至光电倍增管pmt上。

7.如权利要求1所述的用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，其特征在于，所述光纤的直径为400μm、数值孔径na＝0.22。

技术总结
本发明公开了一种用于腔衰减相移光谱的等效光程标定方法，包括依次设置的LED光源、谐振腔、光学斩波器、光电倍增管PMT、采集卡和电脑，所述光学斩波器包括入射端平凸透镜、出射端平凸透镜以及用电机驱动的斩波片，所述电机与电机控制器连接，控制信号由脉冲发生器产生；所述脉冲发生器还与LED光源及调制模块连接；获取调制频率、斩波器调制与LED调制的相位差、LED光源的直接调制光强、光学斩波器的透过率以及随相位差变化获取的总透射率的集合，能够反演出信号的衰荡时间的集合，对衰荡时间进行拟合分析，并用于计算等效光程长度L。本发明可更高分辨率、更高精度确定谐振腔的等效光程长度，从而优化了腔衰减相移光谱的使用。

技术研发人员：陈浩,贾晔,朱一芝,方坤宇,孙炜,王丹,牛福洲
受保护的技术使用者：苏州科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27