基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光光譜【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置及方法。解決了目前腔衰蕩光譜技術(shù)測量結(jié)果精度難以提升且裝置復(fù)雜、成本較高的技術(shù)問題。一種基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置，包括激光發(fā)射裝置，激光發(fā)射裝置的出射端通過光纖連接有一個聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器的出射光路上順次設(shè)有耦合透鏡以及光學(xué)腔；光學(xué)腔的出射光路上設(shè)有光電探測器，所述光電探測器的信號輸出端分為兩路，第一路通過一個閾值電路與聲光調(diào)制器的控制端相連接，第二路連接有一個對數(shù)運算放大器。本發(fā)明技術(shù)方案簡單，方便操作，不需要花費很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多數(shù)應(yīng)用部門所接受。
【專利說明】基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光光譜【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一種高靈敏的吸收光譜技術(shù)，常常用作痕量氣體檢測以及鏡片反射率測量。根據(jù)比爾朗博定律，當(dāng)一束強度為IO的光穿過氣體吸收介質(zhì)時，強度會由于介質(zhì)的吸收而衰減，檢測到的透射光強度將減小，而且光程越大，強度減小越明顯。吸收光譜技術(shù)就是通過比較初始光強以及透射光強的變化關(guān)系從而反演出吸收介質(zhì)的濃度。其中，腔衰蕩光譜技術(shù)通過使用兩片高反鏡作為光學(xué)腔，將吸收光程大大增加，可以達(dá)到~km以上，從而增加了探測靈敏度，光進(jìn)入光學(xué)腔后在兩個高反鏡之間來回反射，每一次反射都會由于吸收介質(zhì)的吸收而衰減，腔后的透射光將呈現(xiàn)指數(shù)衰減的形式，通過測量透射光強的衰減時間得到腔內(nèi)的吸收介質(zhì)濃度。從以上過程可以看出，不同于其他光譜技術(shù)，腔衰蕩光譜技術(shù)測量的是光強的時間特性，而不是強度特性，所以光強度的起伏對于測量并沒有影響，從而對激光光源穩(wěn)定性的依賴有所減小。同時，腔衰蕩光譜技術(shù)是一種自校準(zhǔn)的吸收光譜技術(shù)，測量得到的氣體濃度是絕對氣體濃度，不需要標(biāo)氣池進(jìn)行定標(biāo)，從而簡化了裝置的復(fù)雜度。CRDS的探測靈敏度達(dá)到10-7，與光聲光譜及腔內(nèi)吸收光譜技術(shù)的測量結(jié)果相當(dāng)。
[0003]CRDS的歷史起源于1961年，當(dāng)時Jackson通過通過改進(jìn)法布里-拍羅腔增加了測量精度。1973年，Kastler測量到一束脈沖光進(jìn)入法布里-珀羅腔后，由于鏡面的反射損耗，在腔后檢測到隨指數(shù)衰減的信號。1980年，隨著鍍膜技術(shù)的革新，鏡面反射率不斷的提高，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很難達(dá)到反射率測量的要求，Herbelin使用光學(xué)腔相移技術(shù)精確地得到了鏡面反射率。1984年，Anderson首次提出使用腔衰蕩技術(shù)測量鏡面反射率。到了 1988年，O’Keefe和Deacon首次提出了 CRDS技術(shù)，并用脈沖激光器測量了 O2在630nm處得吸收線，但是由于脈沖激光器線寬寬，頻率穩(wěn)定度差，測量得到的分辨率很低。1996年D.Romanini提出基于連續(xù)激光器CRDS(CW-CRDS)，由于連續(xù)激光器的高重復(fù)率、高穩(wěn)定度，噪聲等效吸收達(dá)到10_9/cm，從而將CRDS推向更廣闊的舞臺。
[0004]腔衰蕩光譜技術(shù)原理如圖1所示，根據(jù)比爾朗博定律，當(dāng)初始光強為Itl的激光束進(jìn)入光學(xué)腔，由于腔鏡上的損耗以及腔內(nèi)介質(zhì)吸收損耗，將在腔后檢測到隨指數(shù)衰減的光強:
[0005]
【權(quán)利要求】
1.一種基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置，包括激光發(fā)射裝置，激光發(fā)射裝置的出射端通過光纖連接有一個聲光調(diào)制器(3),聲光調(diào)制器(3)的出射光路上順次設(shè)有耦合透鏡(4)以及腔體上設(shè)有進(jìn)氣口與出氣口的光學(xué)腔(5);所述光學(xué)腔(5)位于光路上的兩端均為高反鏡且兩個高反鏡的反射面相對，其中一個高反鏡固定在壓電陶瓷上；壓電陶瓷順次連接有一個高壓放大器(8)和函數(shù)發(fā)生器(9);光學(xué)腔(5)的出射光路上設(shè)有光電探測器(6)，其特征在于，所述光電探測器(6)的信號輸出端分為兩路，第一路通過一個閾值電路(7)與聲光調(diào)制器(3)的控制端相連接，第二路連接有一個對數(shù)運算放大器(10);所述對數(shù)運算放大器(10)的信號輸出端連接有一個內(nèi)設(shè)有基于Iabview平臺的CRDS采集及擬合程序的計算機(jī)(11);所述閾值電路(7)包括一個定時器以及一個比較器；所述比較器的同向輸入端與光電探測器(6)的信號輸出端相連接，比較器的反向輸入端連接有一個電位器R5，比較器的信號輸出端與定時器的第六端口相連接；所述定時器的第三端口與聲光調(diào)制器(3)的信號輸入端相連接；比較器的第七端口以及定時器的第八端口均與外部電源相連接；定時器的第三端口還通過電阻R3連接有電容C2，定時器的第二端口與電容C2相連接；電容C2的另一端接地；定時器的第四端口與外部電源相連接，定時器的第七端口通過電阻Rl與外部電源相連接；定時器的第一端口接地；所述比較器的第四端口接地，定時器的第六端口通過電阻R2接地；電位器R5的一端接地，另一端通過電阻R4與外部電源相連接；電位器R5兩端并聯(lián)有穩(wěn)壓管Dl ;所述定時器采用LM555CN，比較器采用TLV3501。
2.如權(quán)利要求1所述的基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置，其特征在于，所述對數(shù)運算放大器(10)包括一個AD8307芯片，AD8307芯片的第一端口連接有+0.8V的恒壓電源且同時與光電探測器(6)第二路信號輸出端的負(fù)端相連接，AD8307芯片的第一端口通過電阻Rl與第八端口相連接，第八端口通過電阻R2與光電探測器(6)第二路信號輸出端的正端相連接；AD8307芯片的第二端口接地，AD8307芯片的第三端口連接有電位器R5，電位器R5的一端連接有+5V外部電源，另一端接地；AD8307芯片的第五端口連接有電位器R7，電位器R7的一端連接有+5V的外部電源，電位器R7另一端通過電阻R3接地；AD8307芯片的第六端口和第七端口相連接且共同連接有+5V的外部電源；AD8307芯片的第四端口與計算機(jī)(11)的信號輸入端相連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射裝置包括半導(dǎo)體激光器(I)以及用于驅(qū)動半導(dǎo)體激光器(I)的激光控制器(2)。
4.一種采用如權(quán)利要求1所述的基于對數(shù)運算放大器的腔衰蕩光譜裝置進(jìn)行測量的方法，聲光調(diào)制器(3)對激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光強度進(jìn)行調(diào)制，強度經(jīng)過調(diào)制的激光經(jīng)過耦合透鏡匯聚后(4)，進(jìn)入光學(xué)腔(5)，函數(shù)發(fā)生器(9)輸出的三角波通過高壓放大器(8)施加在壓電陶瓷上，掃描光學(xué)腔(5)的長度，使激光頻率可以和光學(xué)腔(5)達(dá)到共振；其特征在于，光電探測器(6)將探測到的光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號后分為兩路輸出，一路輸入到閾值電路(7)，當(dāng)信號強度大于閾值電路(7)設(shè)置的閾值時，閾值電路(7)輸出一個負(fù)脈沖到聲光調(diào)制器(3)，從而將光路切斷，保證單一頻率的光在光學(xué)腔(5)內(nèi)振蕩衰減；另一路電信號經(jīng)過對數(shù)運算放大器(10)進(jìn)行對數(shù)運算后，輸入至計算機(jī)(11)進(jìn)行斜率擬合；計算機(jī)(11)在CRDS采集及擬合程序程序的支持下計算出所測氣體濃度的數(shù)值并通過計算機(jī)(11)顯示屏上顯示出來。
【文檔編號】G01N21/31GK103913430SQ201410156291
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】趙剛, 馬維光, 李志新, 譚巍, 尹王保, 賈鎖堂 申請人:山西大學(xué)