基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法

摘要

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法。解决了目前直接吸收光谱技术因为激光器的功率起伏噪声导致探测灵敏度不高的技术问题。一种基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置，包括函数发生器及分布式反馈激光器；分布式反馈激光器的出射光路上顺次设有起偏器、偏振旋转器、检偏器以及设有两个出射端口的分束器；所述分束器的一个出射端口的出射光路上顺次设有第一准直镜和第一光电探测器；第一光电探测器的信号输出端连接有比例积分微分控制器，比例积分微分控制器的信号输出端与偏振旋转器的电压控制端口相连接。本发明技术方案简单，操作方便，光强噪声小，测量精度高。

说明书

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于偏振旋转器的功 率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法。

背景技术

随着人类社会的进步，工业以及农业的精细控制受到越来越多的 关注，精细控制可以降低生产成本，减少环源污染，提高农产品的产 量和质量。而气体监测是精细控制的重要环节。比如在对燃煤锅炉的 废气进行脱硝过程需要实时监测氨气的浓度，从而控制氨或者尿素的 量，避免产生脱硝不完全或者二次污染的危险；在煤层气甲烷化的过 程中，需要对硫化氢进行实时监测，如果脱硫不完全，将会对使用用 户造成致命伤害；在精细控制的大棚蔬菜种植中，对二氧化碳进行实 时监测并控制其浓度，可以有效的提高植物的光合作用效率，提升农 作物品质和产量。同时气体污染物的监测有利于我们对污染来源和成 分的分析以及进一步的环境治理。对人类呼出气体的监测还可以进行 病理学诊断。所以气体的高灵敏监测可以推进社会的发展。

当今的气体监测方法主要分为两种。一种是传统的化学检测方 法，这种方法往往需要对样品进行采样、分离，不仅操作复杂，而且 检测灵敏度低。另一种方法是新型的激光光谱技术。激光光谱监测方 法是基于不同分子对应不同的吸收波长，根据光强的衰减比例反推气 体浓度的，它可以实现对气体的实时在线，高灵敏，非侵入式的检测。 激光光谱检测方法已经得到世界的广泛认同，并且在近二十年从实验 室阶段走向实际应用中。

直接吸收光谱技术是最早提出的激光光谱技术。它的原理非常简 单，可以用比尔朗博定律表示：当光强为I_o的入射光通过吸收气体时， 光强会衰减，在透射端探测到的透射光强I_t可表示为：

I_t＝I_oe^-α(1)

其中，α表示吸收系数，可以表示为：

其中，c是被测气体浓度，S为对应分子的吸收线强度，P为气体压 强，L为吸收光程，为吸收线型，气压为标准大气压时常用洛伦兹 线型表示。直接吸收调制光谱技术可小型化集成化的装置非常适合于 应用。但是它的灵敏度比较低，探测极限Δα一般只能达到1×10^-3。 为了提高激光光谱技术的灵敏度，往往通过两个手段：一个是增长光 程，增加气体的吸收路径，基于此人们提出了多通道池技术，腔衰荡 吸收光谱技术，腔增强吸收光谱技术；另一种方法是使用调制技术， 将吸收信息的频率从直流调制到高频，通过解调来降低低频的噪声， 基于此人们提出了波长调制光谱技术，频率调制光谱技术。上面这些 手段可以有效提高探测灵敏度，然而增加了系统的复杂程度，同时对 装置的高稳定要求也限制这些技术不能用于环境恶劣的工业控制中。 所以目前，直接吸收光谱技术还是应用最广泛的激光光谱技术。

而直接吸收光谱技术的探测灵敏度不高，噪声的很大一部分来源 是由于激光器的功率起伏噪声，如果可以有效的抑制功率噪声，并且 使用其他信号处理的手段提高信噪比，可以使得探测极限降低，达到 波长调制光谱技术的水平，甚至更低。

发明内容

本发明为解决目前直接吸收光谱技术因为激光器的功率起伏噪 声导致探测灵敏度不高的技术问题，提供一种基于偏振旋转器的功率 稳定快速扫描吸收光谱装置及方法。

本发明所述的基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装 置是采用以下技术方案实现的：一种基于偏振旋转器的功率稳定快速 扫描吸收光谱装置，包括函数发生器及分布式反馈激光器，函数发生 器信号输出端与分布式反馈激光器的电压控制端口相连接；分布式反 馈激光器的出射光路上顺次设有起偏器、偏振旋转器、检偏器以及设 有两个出射端口的分束器；所述分束器的一个出射端口的出射光路上 顺次设有第一准直镜和第一光电探测器；第一光电探测器的信号输出 端连接有比例积分微分控制器，比例积分微分控制器的信号输出端与 偏振旋转器的电压控制端口相连接；所述分束器的另一个出射端口的 出射光路上设有吸收光谱检测单元。

图1为本发明所述装置的结构示意图。通过改变激光的偏振态来 改变检偏器后的光强是光功率稳定的有效手段之一。当一束初始光强 为I_a的线偏光通过检偏器时，透射光光强I_b可以表示为：

I_b＝I_acos²(α)(3)

其中，α是线偏光的偏振方向与检偏器的偏振方向之间的夹角。当激 光功率产生起伏时，将在检偏器后观测到激光光强的变化，此时，如 果将变化的信号通过比例积分微分控制器反馈回到偏振旋转器来改 变激光的偏振方向，改变夹角α来抵消光强的起伏噪声，就可以达到 稳定功率的目的。偏振旋转器是一种新型的偏振调节模块，作用相当 于一个半波片，可以通过改变其上的电压就可以旋转偏振旋转器内部 的偏振片角度，从而达到改变线偏振光偏振角度的目的。

使用功率稳定改善光强起伏现象的效果如图2及实质审查参考图 2所示，图中结果是系统自由运行1.1小时使用第二光电探测器测量 得到的光强信号变化，实线(实审图2为红线)为不使用功率稳定得 到的光强信号，点线(实审图2为黑线)为使用功率稳定得到的结果， 可以看出实线存在一个很大的光强漂移，而功率稳定后的激光光强噪 声大大减小，噪声的标准偏差减小了15倍。同时，我们对信号进行 了噪声谱分析，图3及实质审查参考图3是FFT结果，实线(实审 图3为黑线)为功率稳定结果，可以看到经过稳定的光强噪声明显减 弱，尤其是在低频段，说明了功率稳定对于改善光强信号的良好效果。

进一步的，吸收光谱检测单元包括顺次设在分束器另一个出射端 口出射光路上的第二准直镜、充有待测气体的气体吸收池以及第二光 电探测器；第二光电探测器的信号输出端连接有电脑。

本发明所述的基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装 方法是采用如下技术方案实现的：一种基于偏振旋转器的功率稳定快 速扫描吸收光谱装方法，由函数发生器产生1KHz三角波快速扫描信 号送到分布式反馈激光器，从而扫描激光输出波长，分布式反馈激光 器出射的激光波束经过起偏器变为线偏振光，偏振旋转器用于改变线 偏振光的偏振方向；通过改变光的偏振方向与检偏器的偏振方向之间 的夹角可以改变激光功率；通过检偏器的光经过分束器分为两部分： 光强较强的一部分作为探测光，经第二准直镜准直后通过气体吸收 池，和气体相互作用后作为吸收光信号被第二光电探测器探测，光强 较弱的一部分作为反馈光，经第一准直镜准直之后被第一光电探测器 探测，再经过比例积分微分控制器产生反馈信号送至偏振旋转器；通 过改变偏振旋转器上的电压就可以旋转偏振旋转器的偏振方向，达到 改变线偏振光偏振角度的目的，从而稳定偏振旋转器输出的激光功 率；第二光电探测器将检测到的吸收光信号转换成相应的电信号，并 输入至电脑，电脑在相应软件的支持下根据比尔朗博定律进行运算可 以得到吸收系数，再使用洛伦兹线型进行拟合就可以得到待测气体的 浓度。

如果通过检偏器的光强变小时，比例积分微分控制器将接收到的 反馈光相应的电信号与预先设定的光强阈值进行比较，得出一个差 值，将该差值通过运算得出相应的反馈信号输入至偏振旋转器，调节 偏振旋转器内部偏振片与线偏振光的夹角变小，从而增大偏振旋转器 输出的光强；当通过检偏器的光强变大时，比例积分微分控制器也将 相应的差值信号输入至偏振旋转器，调节偏振旋转器内部偏振片与线 偏振光的夹角变大，从而减小偏振旋转器输出的光强。对接收到的吸 收光信号进行处理并得出待测气体浓度值的方法是现有公知技术。

本发明所述装置中使用1KHz的三角波对激光波长进行快速扫描， 只需要1ms的时间就可以得到一条完整的吸收谱线。这种ms量级的 测量可以减小测量环境变化(比如气压梯度变化)对测量结果的影响。 同时快速扫描加快了数据获取速率，1s的时间测量可以使用得到1000 组结果进行平均，从而减小白噪声的影响。对于时间域变化的信号， 平均是比低通滤波更有效的降噪手段，可以大大改善信号信噪比。

使用不同的方法对浓度为20ppm的乙炔气体进行了探测，测量得 到的吸收系数以及洛伦兹拟合结果如图4所示，图4(a)是使用1KHz 快速扫描功率稳定并且进行1000次平均得到的结果，图4(b)是使 用1KHz快速扫描并且进行1000次平均得到的结果，可以看出经过 功率稳定得到的信号信噪比更小，图4(c)是1Hz扫描得到的测量 结果，需要提到的一点是图4(a)和图4(b)测量时间相同，都是 1s，但是得到的信号信噪比却大不相同，通过对拟合残差的比较，图 4(a)的信噪比是图4(b)的6倍，是图4(c)的10倍。从而验证 了本发明所述装置及方法的有效性。

本发明技术与其它相同类技术相比有以下优点：

1.本发明技术提出了可用于痕量气体检测领域的降低直接吸收调 制光谱探测极限的一种新方法；

2.本发明采用了一个偏振旋转器和检偏器作为调节激光功率的单 元，并且使用比例积分微分控制器作为负反馈回路对激光的功率进行 稳定，减小光强噪声；

3.本发明较以往系统，使用1KHz的三角波进行快速扫描，可以有 效的减小环境条件改变对信号的影响，同时提高了信号的获取速率， 经过1000次的信号平均，信号的信噪比大大提升；

4.本发明技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物 力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

附图说明

图1为基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描直接吸收光谱技术方案 装置图。1-函数发生器，2-分布式反馈激光器，3-起偏器，4-偏振旋 转器，5-检偏器，6-分束器，7-第二准直镜，8-气体吸收池，9-第二 光电探测器，10-电脑，11-第一准直镜，12-第一光电探测器，13-比 例积分微分控制器。

图2为对光强信号进行1.1小时监测得到的结果，横坐标表示时间变 化，纵坐标表示光强，其中实线为不进行功率稳定得到的结果，而点 线是使用功率稳定得到的结果。

图3为对光强信号进行噪声谱分析得到的结果，横坐标表示频率，纵 坐标表示幅度，其中点线为不进行功率稳定得到的结果，而实线是使 用功率稳定得到的结果。

图4为使用不同方法对20ppm的乙炔气体进行测量得到的吸收系数 以及洛伦兹拟合结果。图4(a)是使用功率稳定1KHz快速扫描并且 进行1000次平均得到的结果，图4(b)是使用1KHz快速扫描并且 进行1000次平均得到的结果，图4(c)是使用1Hz扫描得到的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。

如图1所示，由函数发生器1产生1KHz三角波快速扫描信号送 到分布式反馈激光器2(NTT,NLK1L5EAAA)，用于扫描激光器的输 出波长。被扫描的激光波束通过起偏器3变为线偏振光，再通过偏振 旋转器4，射入检偏器5，然后通过一个1:9的光纤分束器分为两部 分：光强较强的一部分经第二准直镜7通过气体吸收池8，和气体相 互作用后被第二光电探测器9(PDs，Thorlabs,PDA10CS-EC)探测，吸 收信号最终送入电脑10；另一部分经第一准直镜11之后被第一光电 探测器12探测，然后经过比例积分微分控制器13反馈回偏振旋转器 4，用于功率稳定。当第一光电探测器12检测到功率起伏与设置点产 生偏移时，会对误差信号进行比例积分微分运算，适当的调节比例大 小，积分时间和微分常数可以产生合适的控制信号反馈回偏振旋转 器，从而改变激光器的偏振角度，达到稳定功率的目的。而进入电脑 10的吸收信号根据比尔朗博定律进行运算可以得到吸收系数，再使 用洛伦兹线型进行拟合就可以得到气体的浓度。

图2是使用稳定功率与不使用稳定功率使用第二光电探测器9得 到的是光强信号，其中点线是稳定功率的结果，可以看到光强的起伏 大大减小。

使用不同的方法对浓度为20ppm的乙炔气体进行了探测，测量 得到的吸收系数以及洛伦兹拟合结果如图4所示，图4(a)是使用 1KHz快速扫描功率稳定并且进行1000次平均得到的结果，图4(b) 是使用1KHz快速扫描并且进行1000次平均得到的结果，可以看出 经过功率稳定得到的信号信噪比更小，图4(c)是1Hz扫描得到的 测量结果，需要提到的一点是图4(a)和图4(b)测量时间相同， 都是1s，但是得到的信号信噪比却大不相同，通过对拟合残差的比较， 图4(a)的信噪比是图4(b)的6倍，是图4(c)的10倍。从数据 可以看出，本发明所述装置及方法的有效性。