[发明专利]基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法

说明书

本发明为解决现有对扫描激光器动态线宽的测量方法，均针对窄线宽激光器，且需要搭建复杂的测量光路，不适用线宽较宽的扫描光源在波长扫描过程中的动态线宽测量的技术问题，提出了一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法。包括以下步骤：[1]根据光源的光谱扫描范围，选择吸收介质，搭建吸收光路，测量并记录吸收池内信息；[2]激光光束传输通过吸收池，采样得到不同波长处的吸收光谱数据；[3]利用光谱数据库，计算得到不同激光线宽条件下的理论吸收光谱数据；[4]将得到的吸收光谱与理论吸收光谱进行比对，计算均方根残差并进行最小二乘法拟合，均方根残差最小处对应的线宽即为该激光器的动态扫描线宽。

技术领域

本发明涉及激光吸收光谱技术领域，具体涉及一种吸收光谱中波长扫描激光器的动态线宽的测量方法。

背景技术

吸收光谱技术通过采用波长可调谐的激光扫描待测气体分子的特征吸收谱线，可以实现对待测气体温度、浓度以及压强等物理量的非接触在线测量，在大气遥感、环境监测、危险气体泄漏预警等领域获得了广泛应用。目前，吸收光谱技术中使用的波长扫描光源一般包含两种，一种是窄带扫描光源，如DFB激光器等；另一种是宽带扫描光源，如傅里叶域锁模光纤激光器等。

实验测量得到的吸收光谱信号是气体分子的实际吸收光谱信号与激光器光谱信号的卷积。因此，激光器的光谱特性直接影响着吸收光谱技术的测量结果。使用DFB激光器时，由于其线宽在数十MHz量级，一般远小于气体分子的实际吸收光谱线宽，因此可忽略DFB激光器线宽对测量结果的影响。但是，傅里叶域锁模光纤激光器输出线宽一般较宽，在数十GHz量级，在低压下应用时会使测量得到的吸收光谱线宽变大，从而严重影响物理参数反演的精度，尤其会对压强的精确反演带来极大难度。因此，使用中必须对光源的动态线宽进行监测。

一般情况下对激光器线宽的测量都是在静态条件下完成的，即测量时需保持激光器波长稳定。但是，激光器在动态扫描条件下的线宽与静态条件下测量的线宽是存在较大差异的，静态线宽无法真实反映激光器在波长扫描状态下的真实线宽。因此，对扫描光源动态线宽的测量就显得尤为重要。

为了实现对扫描激光器动态线宽的测量，刘景旺等(刘景旺,杜振辉,齐汝宾,徐可欣.DFB激光器调谐过程的动态线宽特性,纳米技术与精密工程,2012,10(4):332-336.)提出了光纤延时自外差法；安颖等(安颖，杜振辉，徐可欣.超短时延测量DFB激光器的动态线宽.物理学报,2013,62(17):174208.)发展了超短时延测量系统；李珍珺等(李珍珺,宋雷.OFDR线性扫描光源动态线宽测量.电子元器件与信息技术,2019,3(11):62-64；赵灿,李珍珺,周雷.一种动态线宽测量系统及其测量方法,国家发明专利,申请号202010452681.0.)发展了基于短时傅里叶分析的光纤延时自外差动态线宽测量方案。上述方法都实现了对波长扫描激光器动态线宽的测量。

但是，上述测量方案都是针对窄线宽激光器设计的，且其测量系统都需要搭建复杂的测量光路，对于线宽较宽的扫描光源(如傅里叶域锁模光纤激光器)，上述方法不再适用。

发明内容

本发明为了解决现有对扫描激光器动态线宽的测量方法，均针对窄线宽激光器，且其测量系统都需要搭建复杂的测量光路，不适用于线宽较宽的扫描光源在波长扫描过程中的动态线宽测量的技术问题，提出了一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，可用于对吸收光谱应用中的波长扫描光源进行动态线宽的实时监测，从而提高吸收光谱技术的测量精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于吸收光谱的波长扫描激光器的动态线宽的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[1]根据激光器的光谱扫描范围，选择吸收介质；搭建吸收光路，吸收介质充入吸收池内，测量并记录吸收池内的压强P、温度T、吸收路径长度L以及吸收介质的摩尔分数X；