[发明专利]一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法

说明书

本发明实施例公开了一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法。该测量装置包括用于产生激光光束的激光光源，调制光路机构，用于接收经过调制光路机构调制后的激光光束并将激光光束发生干涉叠加的无源谐振腔，用于接收所述干涉叠加后的激光光束并产生电信号的光学外差探测机构，接收所述电信号并判断所述电信号与预设阈值的关系的数据处理机构，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。该测量装置及方法能够提高测量精度、操作简单且成本低。

技术领域

本发明涉及光谱探测的技术领域，具体涉及一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法。

背景技术

在环境分析、生命科学、医学医疗、国防安全、先进制造工业等许多领域存在大量的痕量物质检测需求，并且对检测灵敏度的要求越来越高。在各种超高灵敏度的光谱探测技术中，基于无源谐振腔增强的技术是重要的一类。基于无源谐振腔增强技术的特征是：将待测样品置于谐振腔内，利用谐振腔对光波的多次反射来增加光与物质作用的距离，从而提高测量精度。对于无源腔来说，腔内光强衰减速度与腔镜反射率及两腔镜间的距离有关。当光学无源腔内充满待测气体(或液体)时，腔内光强衰减速度会由于物质吸收而增加。在调节良好的情况下，腔内光强将呈单e数衰减。通过绘制腔内光强衰减速率与对应的激光波长之间的关系，可以获得腔内痕量待测物质的吸收光谱。

在传统的光腔衰荡光谱(CRDS)测量系统中，用于装待测气体高品质光学无源腔通常采用两镜式直腔。两镜腔普遍存在很难消除的标准具效应，会给光强测量带来较大误差，降低测量精度。

传统的光腔衰荡光谱(CRDS)中采用Drever的PDH方法利用光学谐振腔的相位特性构成稳频系统，利用调频光谱技术获得光学谐振腔的色散曲线作为鉴频曲线图。对激光作微小的相位调制，产生分布在载频两侧、幅度相等但初始位相相反的二个边频带。由于受谐振腔或其它介质的影响，两个边频带的幅度或相位有了不均匀的变化，则两差拍信号不能完全抵消，接收器会输出一个频率信号。该输出信号用来产生类似于谐振腔相移曲线的鉴频曲线，从而在较小的范围内均能产生有效的误差信号用以调控腔长，因此，系统不易失锁，抗干扰能力很强。但是，这种调频光谱技术的成本高，且对激光频率控制精度要求高、操作难度大。

传统的光腔衰荡光谱(CRDS)测量系统测量腔出射光强时，光电探测器探测从无源腔某一腔镜透射出的激光能量衰荡变化。由于光能量较低，因此，探测器需要具备高探测灵敏度，即对系统光电检测器件的精度要求较高。

另外，由于光腔衰荡光谱系统的复杂性及高精密性，大多数研究尚停留在实验室阶段，还没有比较成熟的可以实现准确测量的腔衰荡光谱测量装置。

针对传统的光腔衰荡光谱(CRDS)测量系统存在操作难度大、成本高、精度不够等问题，急需一种能够提高精度、操作简单且成本低的光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法。

发明内容

针对传统的光腔衰荡光谱(CRDS)测量系统存在操作难度大、成本高、精度不够等问题，本发明实施例提供一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法。该光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法能够提高测量精度、操作简单且成本低。

该光学外差法腔衰荡光谱测量装置的具体方案如下：一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置包括：激光光源，用于产生激光光束的光源；调制光路机构，用于调制所述激光光束；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；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；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。