一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，包括以下步驟：步驟一、開啟連續波長激光器，通過調整驅動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監測器鎖定；步驟二、激光光束經起偏器轉換為S線偏振光；步驟三、S線偏振光經過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內，并在腔內諧振累積能量；步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程；步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。本發明可以剔除P光分量對衰蕩的影響，提高測量精度。
【專利說明】一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及痕量氣體濃度測量領域，具體是涉及一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。

【背景技術】
[0002]腔體衰蕩光譜(CRDS，Cavity Ring-down Spectrum)是近二三十年發展起來的一種痕量氣體濃度探測技術，通過選擇測量氣體特征吸收峰，其選擇性吸收特性配合長光程衰蕩來精確測量痕量氣體含量，一般能達到ppm或ppb量級(與氣體的吸收峰強度和衰蕩距離相關)。目前該技術廣泛應用于CH4，N2O, CO，C02，HF等氣體濃度的測量，在測量這些氣體同位素含量領域也有廣泛應用。
[0003]腔體衰蕩光譜的一項核心技術高反射率諧振腔，而構成諧振腔的關鍵是高反射率反射鏡，一般反射率要求在99.99%或更高，高反射率的意義有兩點:其一，開啟激光器時獲得更高的腔內能量累計；其二，更小的鏡面反射損耗，獲得更長的衰蕩長度。在三面反射鏡的反射率均為99.999%時，當腔長為0.5m時，光強衰減為初始光強的0.3時，反射次數為40000，衰蕩經過的距離為20km。而當反射率為99.99%，，衰蕩5000次時，相對光強已降到0.2。由此可以看出反射率在CRDS測量方法中的重要性。
[0004]目前使用的諧振腔多為兩鏡腔和三鏡腔。兩鏡腔中，其中一面反射鏡后既要安裝精密驅動裝置又要流出出射光線通路，安裝和調試多有不便。三鏡腔結構中，兩個平面高反射鏡一個用于光線入射，另一個用于光線出射，球面鏡后安裝驅動裝置，結構大為簡化，因此應用非常廣泛。但三鏡腔有一個缺陷是自然光的P分量和S分量反射率隨入射角度變化不一致，P光反射率衰減很快，而S光反射率衰減非常小。而從之前介紹中可以看出反射率的高低直接影響了衰蕩長度，從而影響測量精度。
[0005]目前使用最廣泛的獲得高反射率的方法是鍍膜，根據使用波長和鍍膜材料，通過控制膜厚和鍍膜層數達到設定的反射率。多層膜反射鏡有其特點，在傾斜入射時P光和S光分量會隨入射角度和波長變化，附圖1給出了 45度入射時，系統中使用的29層1102和S12高反膜P光和S光反射率與波長的關系。當使用波長在1450nm - 1620nm區間內時，S光反射率保持在99.99%以上，而P光反射率卻不超過36%，且劇烈波動，最低時更是趨近于O。如果使用P光和S光共同的能量值來測量衰蕩時間，由于P光的迅速損耗，造成能量的非指數衰減，導致測量精度下降。


【發明內容】

[0006]本發明要解決現有技術中的技術問題，提供一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0008]一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、開啟連續波長激光器，通過調整驅動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監測器鎖定；
[0010]步驟二、激光光束經起偏器轉換為S線偏振光；
[0011 ] 步驟三、S線偏振光經過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內，并在腔內諧振累積會；
[0012]步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程；
[0013]步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
[0014]本發明具有以下的有益效果:
[0015]本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，采用反射率為99.999% (正入射)的兩面平面鏡和一面球面鏡，組成高銳度反射諧振腔。多鏡式諧振腔具有結構簡單，利于安裝驅動組件和布置光路；光源采用窄線寬半導體激光器，通過驅動電流和溫度調節，使用波長監測器監測調節過程，使波長鎖定在目標波長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0017]圖1為45度入射時，系統中使用的29層T1jP S1 2高反膜P光和S光反射率與波長的關系不意圖。
[0018]圖2為本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法一種【具體實施方式】的示意圖。
[0019]圖中的附圖標記表示為:
[0020]1-半導體激光器；2_起偏器；3_準直鏡；4_模式匹配鏡；5_高反射率平面鏡；6-高反射率平面鏡；7_球面鏡和驅動裝置；8_探測器。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明做以詳細說明。
[0022]如圖2所示，本發明的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法包括以下步驟:
[0023]開啟半導體激光器I，通過調整驅動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監測器鎖定。
[0024]經起偏器2轉換為與平面鏡表面垂直的S線偏振光。
[0025]經準直鏡3準直和模式匹配鏡4匹配形狀后，入射到由高反射率平面鏡5、高反射率平面鏡6、球面鏡和驅動裝置7組成的諧振腔內，并累積能量。
[0026]諧振腔出射能量通過探測器8采集，當能量達到設定上閾值時，關閉激光器，衰蕩過程開始。
[0027]能量在諧振腔內開始衰蕩，直到探測器8上接收的能量達到下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
[0028]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、開啟連續波長激光器，通過調整驅動電流和溫度使其工作在目標波長，并使用波長監測器鎖定； 步驟二、激光光束經起偏器轉換為S線偏振光； 步驟三、S線偏振光經過準直鏡和模式匹配鏡入射到諧振腔內，并在腔內諧振累積能量。
2.如權利要求1所述的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，在步驟三之后還包括: 步驟四、使用探測器接收諧振腔出射光，當光強達到設定上閾值時，關閉半導體激光器，開始衰蕩過程。
3.如權利要求2所述的提高腔體諧振衰蕩測量精度的方法，其特征在于，在步驟四之后還包括: 步驟五、當探測器接收到的能量達到設定的下閾值，認為衰蕩過程結束，記錄由上閾值到下閾值之間的衰蕩時間，通過朗伯比爾定律計算氣體濃度。
【文檔編號】G01N21/39GK104515750SQ201410787501
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】朱小明, 王曉東, 顏昌翔, 李丙玉 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所