[发明专利]一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法

权利要求书

1.一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置，其特征在于，所述测量装置包括： 激光光源、调制光路机构、无源谐振腔、光学外差探测机构、数据处理机构，

所述激光光源，用于产生激光光束的光源；

所述调制光路机构，包括光准直器、声光调制器、偏振分光棱镜、模式匹配镜和光阑，用于调制所述激光光束，具体地，所述偏振分光棱镜将所述激光光束分成一路P偏振光，一路S偏振光；所述P偏振光通过波长计接收并将波长值反馈至数据处理机构，所述S偏振光经过所述模式匹配镜调整后进入光阑，再经过所述光阑到达所述无源谐振腔的输入耦合镜；

所述无源谐振腔，用于接收经过所述调制光路机构调制后的激光光束，并将所述激光光束在所述无源谐振腔发生干涉叠加；

所述光学外差探测机构，包括分束镜、位于所述分束镜的第一路光路上的反射镜，位于所述分束镜的第二路光路上的第一聚焦镜和转镜，位于所述分束镜的第二路光路反方向上的可变光阑、线栅偏振片、第二聚焦镜和光电探测器；所述光学外差探测机构接收所述干涉叠加后的激光光束并产生电信号；

所述数据处理机构，接收所述电信号并判断所述电信号与预设阈值的关系，若电信号大于所述预设阈值时，数据处理机构发出关断所述激光光源的指令并通过数据采集电路采集、描绘衰荡曲线及计算待测痕量物质浓度；

计算待测痕量物质浓度的公式为：

，

其中，，，R₁为输入耦合镜的功率反射率，R₂为输出耦合镜的功率反射率，R₃为球面镜的功率反射率，L是无源谐振腔内依次循环的光路径总长度，τ是无源谐振腔内存在待测物质时的衰荡时间常数，τ₀是无源谐振腔真空状态下的衰荡时间常数，c是光速，α是腔内待测样品的吸收系数，S是吸收线强，g是线型函数，ρ是分子密度，x_j是待测物质摩尔分数;

所述无源谐振腔包括位于腔体上的输入耦合镜、输出耦合镜、进气口、出气口、压力传感器、温度传感器以及位于腔体内的球面镜、波长监测器,

所述球面镜上安装有腔长调节装置，用于调整所述球面镜与所述输入耦合镜、输出耦合镜之间的距离,球面镜与输入耦合镜、输出耦合镜形成三角形环形反射光路,其透射率为球面镜和输出耦合镜的透射率之和，激光光束由输入耦合镜进入无源谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置，其特征在于，所述测量装置包括激光控制器电路，所述激光光源采用分布反馈式激光器，所述数据处理机构通过激光控制器电路控制所述分布反馈式激光器。

3.根据权利要求1所述的一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置，其特征在于，所述输入耦合镜、输出耦合镜和球面镜构成闭合的中心光路，所述中心光路与所述激光光束同轴。

4.根据权利要求1所述的一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括压电陶瓷控制电路，所述无源谐振腔与所述压电陶瓷控制电路连接后，连入所述数据处理机构。

5.一种光学外差法腔衰荡光谱测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的光学外差法腔衰荡光谱测量装置，所述测量方法包括：

步骤S1：激光光源发射激光光束经过调制光路机构到达无源谐振腔；

步骤S2：激光光束在所述无源谐振腔内发生干涉叠加；

步骤S3：干涉叠加后的激光光束进入光学外差探测机构，产生两路频率不同的相干光并产生电信号；

步骤S4：数据处理机构接收所述电信号并判断所述电信号与预设阈值的关系，若电信号大于所述预设阈值时，数据处理机构发出关断所述激光光源的指令并通过数据采集电路采集、描绘衰荡曲线及计算待测痕量物质浓度；

所述计算待测痕量物质浓度的公式为：

，

其中，，，R₁为输入耦合镜的功率反射率，R₂为输出耦合镜的功率反射率，R₃为球面镜的功率反射率，L是无源谐振腔内依次循环的光路径总长度，τ是无源谐振腔内存在待测物质时的衰荡时间常数，τ₀是无源谐振腔真空状态下的衰荡时间常数，c是光速，α是腔内待测样品的吸收系数，S是吸收线强，g是线型函数，ρ是分子密度，x_j是待测物质摩尔分数;

所述无源谐振腔包括位于腔体上的输入耦合镜、输出耦合镜、进气口、出气口、压力传感器、温度传感器以及位于腔体内的球面镜、波长监测器,

所述球面镜上安装有腔长调节装置，用于调整所述球面镜与所述输入耦合镜、输出耦合镜之间的距离,球面镜与输入耦合镜、输出耦合镜形成三角形环形反射光路,其透射率为球面镜和输出耦合镜的透射率之和，激光光束由输入耦合镜进入所述无源谐振腔。