[发明专利]一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置

说明书

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。本装置使用光纤耦合半导体激光器作为光源。使用激光控制器对激光器的温度及电流进行控制，而激光输出频率由函数发生器扫描激光驱动电流来调谐。激光器输出的光在光纤中输入到一个光纤耦合的电光调制器中，之后被一个准直器转化为空间光，空间光经过λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、匹配透镜以及一个分束器后射入腔内。腔透射出的激光通过聚焦透镜汇聚到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。通过波纹管将腔、气压计、真空泵相连接，实现腔内气压的控制。

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。

背景技术

随着近百年来人类科学技术的超高速发展，环境污染问题已愈发显著。全球空气质量首当其冲，日益严重的空气污染极大地影响着人们的身心健康，由此诱发的呼吸系统疾病已然成为人类死亡的主要原因之一，因此对有害气体的超灵敏监测至关重要。另外在工农业以及科学研究等领域，超灵敏痕量气体检测也扮演着重要角色。

激光吸收光谱技术的优势在于：激光的强度很高，足以抑制探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；另外激光的单色性可以极大程度提升光谱分辨率，并且抑制光谱信号的频率噪声。所有这些特点均可提高气体的检测灵敏度。

腔增强光谱(CEAS)技术利用高反射镜极大地增长了气体的吸收路径，由此大大提升了气体的检测灵敏度，最简单的CEAS技术是直接CEAS，但是受到大线宽激光到高精细腔的低下耦合效率，以及超高速数据采集卡的昂贵价格的限制，直接CEAS的腔膜信号会上下浮动，导致其光谱信号信噪比极差，很难实现低浓度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)通过将腔内谐振场反馈注入到激光器中，只要将反馈光相位控制得当，激光器的输出波长就会被锁定在腔膜频率上。这种方法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。之后经过数年的发展，OF-CEAS已较为成熟，基于线性F-P腔的OF-CEAS的可行性也得到了实验的验证，但无论腔的形式如何，OF-CEAS的稳定性，特别是用于控制反馈相位的压电陶瓷，都对空间震动十分敏感，平台的微小形变都极大地干扰着反馈相位，进而影响光谱信号的信噪比。所以我们发明了一种新型的、基于光纤耦合器件的OF-CEAS技术，相较于常规的基于空间光的光学反馈技术，本发明使用光纤耦合的电光调制器用于控制反馈相位，避免了压电陶瓷的使用；此外，本发明激光器到腔前镜的光程包含光纤部分以及空间光部分，可以极大地缩短了空间光的传输路径，进一步有效降低空间震动的干扰；同时由于光纤器件具有灵活安装的特性，这种技术极大地提升了OF-CEAS的应用前景。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于光纤耦合器件的光学反馈腔增强吸收光谱装置，包括半导体激光控制器、光纤耦合半导体激光器、光纤耦合电光调制器、准直器、匹配透镜、λ/2片、偏振光束分束器、λ/4片、光学腔、第二聚焦透镜、第二光电探测器、计算机、函数发生器；