[发明专利]一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法

摘要

一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该方法基于波长调制理论，在时域上对经过高频调制的激光透过率函数在谱线中心频率处进行泰勒级数展开，在此基础上得到谐波表达式由激光透过率及其导数和频率调制幅度组成，通过分析各次谐波间的关系特征建立了一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，其测量精度随着所采用谐波阶次的增加而提高。该方法建立了波长调制光谱与吸收率函数之间的关系，解决了传统波长调制光谱应用中由于无法有效测量绝对吸收率需要结合标定实验测量气体参数的问题。

主权项

1.一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)从光谱数据库中选用待测气体吸收谱线，其中心频率为v₀，调节激光控制器(3)的设置温度及电流，使可调谐半导体激光器(4)发出中心频率为v₀的激光，并使用波长计(5)进行监测；2)将第一信号发生器(1)产生的高频正弦波和第二信号发生器(2)产生的低频三角波叠加后共同加载于激光控制器(3)，使可调谐半导体激光器(4)发出的激光在谱线中心频率处v₀产生低频扫描和高频调制，则激光瞬时频率v用公式(1)表示：v＝v₀+acos(ωt)                                    (1)式中：a[cm^‑1]为频率调制幅度，定义调制系数m＝a/γ，γ[cm^‑1]为谱线半高半宽，ω为调制信号的角频率；3)可调谐半导体激光器(4)发出的激光经过光纤分束器(6)后分为两束，第一束被第一准直器(7)准直后经过待测气室(9)被气体吸收，作为透射光强信号I_t由第一光电探测器(11)接收并传输至数字示波器(13)进行显示和采集；第二束被第二准直器(8)准直后经过参考气室(10)，作为原始光强信号I₀由第二光电探测器(12)接收并传输至数字示波器(13)进行显示和采集；4)复现吸收率函数α(ν₀)，步骤如下：a.使用计算机(14)对数字示波器(13)透射光强信号I_t和原始光强信号I₀进行采集和处理，激光透过率信号τ(v)表达式为：式中H_k为激光透过率函数的k次谐波分量，为谐波信号对应的相位角，H_k表达式为：式中θ∈[‑π,π]；b.对激光透过率信号τ(v)进行低通滤波得到零次谐波H₀；c.对激光透过率信号进行谐波检测，谐波检测时X轴参考信号V_x和Y轴表参考信号V_y达式为：式中φ为参考信号的相位角，将公式(4)与公式(2)相乘，X轴相乘结果X_k和Y轴相乘结果Y_k为：对X_k和Y_k经过低通滤波后，X轴谐波信号X_kz和Y轴谐波信号Y_kz为：调节参考信号的相位角φ，使谐波信号只在X轴上，此时X_kz与H_k相等，便得到偶数次谐波H₂、H₄、H₆…、H_2k；d.将得到的零次谐波H₀和偶数次谐波H₂、H₄、H₆…、H_2k带入下式得到偶次谐波运算结果fun_p：e.将偶次谐波运算结果fun_p带入下式：α(ν₀)＝‑ln(fun_p)|_p→∞                                (8)便得到吸收率函数。