專利名稱：多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統和方法
技術領域：
本發明屬于一種氣體的激光光譜測量系統，具體是一種基于近紅外寬調諧外腔調諧半導體激光器和非線性光學差頻變換方法的多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統和方法。
背景技術：
可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術是一種具有高靈敏、高分辨、快速響應特點的痕量氣體檢測技術，由于其獨特的優勢在許多領域有著潛在的重要應用價值，是近年來非常熱門的研究領域之一。主要的應用有(1)獲得分子結構的信息，(2)研究其動力學過程，(3)痕量氣體監測分析。可調諧紅外激光光譜學具有高靈敏度、實時、動態、多組分同時測量的優點。
可調諧紅外激光光譜學按照激光器波段可分為近紅外光譜和中紅外光譜。近紅外波段工作在0.78-2.6μm的近紅外區，相應于某些分子的“泛頻”譜帶。痕量分子在這些譜帶的吸收系數比中紅外的基頻吸收一般要低2-3數量級。盡管如此，由III-V族化合物構成的半導體激光由于在通信和電子工業元件方面的廣泛應用，其價格相對便宜，質量、性能和輸出功率都相當優越；更為突出的是它們能夠在接近室溫下工作。在痕量氣體的檢測中，依據不同的測量范圍，采用直接吸收、波長調制和頻率調制光譜等檢測方法實現痕量氣體的檢測。檢測靈敏度可以達到ppm，甚至到達ppb的的檢測水平，可以滿足一些具體環境對氣體濃度連續檢測的需要。典型的應用如環境監測中溫室氣體CH4、CO2檢測，有毒有害氣體H2S、NH3、NO2檢測，工業過程控制中CO、H2O、O2濃度檢測等。
中紅外波段工作在3-13μm的“指紋”區，是氣體分子基帶吸收。這個波段分子吸收線的強度比近紅外波段要大幾個量級。如CH4在3.3um處的吸收強度是其在1.6um處的163倍，理論檢測下限可達0.9ppb/m；CO在4.6um處的吸收強度是其在2.3um處的128倍，理論檢測可達0.3ppb/m；N2O在4.5um處的吸收是其在1.9um處吸收的將近2萬倍，理論檢測限可達ppb至ppt量級。中紅外波段的激光器主要有用IV-VI族化合物材料制作的鉛鹽激光器以及近年來發展的量子級聯激光器(QCL)。利用中紅外波段激光器可以實現對痕量氣體的超高靈敏檢測。包括對CH4、CO、HCL、HCHO、H2O2、H2O、HNO3、NH3、NO、NO2、N2O、O3、OCS和SO2等痕量氣體的實時測量。
由于半導體激光具有極高的單色性和相干性，極好的方向性，極高的功率密度，可以快速調諧等優點，特別是近紅外半導體激光器與中紅外半導體激光器的相互補充大大促進了紅外激光光譜技術的發展，擴大了它的應用范圍。但傳統的半導體激光器還存在一些不足，限制了半導體激光吸收光譜技術的具體應用。主要是(1)單臺半導體激光器的輸出波長調諧范圍有限，一般只有3～5nm，一臺激光器通常只能檢測一種氣體有限幾條吸收線，不能滿足多組分以及需要對氣體分子完整吸收譜帶檢測的需要。(2)中紅外光譜區的半導體激光器包括鉛鹽和量子級聯激光器需要工作在低溫條件下，一般需要液氮制冷，無法滿足現場檢測的需要。基于以上原因，發展一種具有室溫下工作的多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統在理論和實踐上都有重要意義。
發明內容
本發明提出一種室溫工作的多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統和方法。利用外腔調諧半導體激光器和非線性差頻轉換方法實現近紅外和中紅外譜段寬調諧范圍連續激光光源的輸出，能夠實現多組分、全譜帶的氣體高分辨激光吸收光譜測量。
本發明的技術方案如下多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統，其特征在于光學平臺上安裝有DFB激光器(22)和ECDL半導體激光器(23)，DFB激光器(22)后的光路中依次安裝有1/2波片(21)，合束鏡(27)，聚焦透鏡(28)，兩端通光的晶體加熱爐(17)，其中裝有PPLN非線性晶體(29)，CaF2聚焦透鏡(16)，Ge濾波片(15)，非球面反射鏡(12)；ECDL半導體激光器(23)后的光路中安裝有可轉動反射鏡(24)，1/2波片(25)，可轉動反射鏡(26)，反射鏡(30)，反射鏡(30)的反射光進入合束鏡(27)后合束反射進入聚焦透鏡(28)；可轉動反射鏡(24)的反射光路中依次安裝有聚焦透鏡(31)，光纖耦合器(32)，并通過光纖接入波長計(4)；可轉動反射鏡(26)的反射光路中依次安裝有氣體吸收池(33)，聚焦透鏡(34)，近紅外InGaAs PIN光電探測器(7)，近紅外InGaAs PIN光電探測器(7)的輸出信號接入到工控計算機(3)；非球面反射鏡(12)后的反射光路中依次安裝有氣體吸收池(11)，非球面反射鏡(10)，非球面反射鏡(10)的反射光由中紅外熱電制冷MCT光電探測器(9)接收，中紅外熱電制冷MCT光電探測器(9)的輸出信號接入到工控計算機(3)。
多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量方法，其特征在于包括(1)、近紅外激光光譜測量采用ECDL半導體激光器作為近紅外連續調諧激光光源，波長調諧范圍為1.49-1.58μm，發出的近紅外激光透射過充有待測氣體的氣體吸收池后，出射到InGaAs PIN光電探測器的探測面，InGaAs PIN光電探測器的輸出信號輸送到工控計算機處理；(2)、采用前述(1)中的ECDL半導體激光器發出的近紅外激光，波長調諧范圍為1.49-1.58μm，與DFB激光器發出的中紅外激光，輸出波長為1.06μm，分別經過1/2波片將偏振方向旋轉到垂直方向以滿足在非線性PPLN非線性晶體中準相位匹配差頻產生過程e+e→e的匹配關系，并合束后，透射過放置于加熱爐中的的多光柵周期PPLN非線性晶體，加熱爐工作溫度為室溫到200℃，非線性PPLN非線性晶體和加熱爐可以橫向平移以選擇適當的極化光柵周期，結合工作溫度調諧以滿足準相位匹配的條件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分別是泵浦、信號、空閑光波矢量，km為非線性PPLN非線性晶體的周期性極化引入的附加相移，差頻產生的中紅外光由CaF2聚焦透鏡收集，并由Ge濾波片濾除非線性轉換剩余的近紅外光束后，由非球面反射鏡轉換為平行光入射由CaF2窗片的氣體吸收池，透過該氣體吸收池的光束由另一非球面反射鏡聚焦到MCT光電探測器的光敏面上，輸出中紅外吸收光譜信號輸送到工控計算機，進行數據采集和處理。
本發明利用一種新型的具有寬連續調諧范圍的半導體激光器--外腔式可調諧半導體激光器(ECDL)作為近紅外光譜區的高分辨激光光源，并結合分布反饋式(DFB)半導體激光器，通過準相位匹配(QPM)的非線性光學差頻變換(DFG)實現中紅外相干光輸出，實現了在近紅外1.49～1.58um和中紅外3.2～3.7um兩個光譜區的連續調諧輸出，采用掃描積分吸收光譜技術，在近紅外和中紅外兩個光譜區對氣體的進行高靈敏、高分辨的光譜檢測。
外腔式可調諧半導體激光器(ECDL)作為近紅外光譜區是利用外加光柵諧振腔實現激光輸出的選頻和反饋，通過控制光柵的傾斜角度就可以調節激光器的輸出波長，連續波長調諧范圍可以達到幾十nm以上，并且具有很高的單色性。但目前外腔式半導體激光器還只限于在近紅外波段。非線性光學頻率轉換方法，特別是差頻產生方法，是獲得室溫下工作、寬調諧范圍、窄線寬特點中紅外相干光源的一種有效途徑。與傳統的中紅外激光光源相比，差頻產生相干光源系統具有室溫工作，輸出光束質量好的優點。它是利用兩個近紅外激光在非線性晶體中二階非線性頻率下轉換作用實現中紅外連續相干光源的輸出。近些年來，隨著準相位匹配(QPM)技術、非線性周期極化晶體技術的發展，使非線性光學差頻轉換的效率得以大大提高，利用近紅外激光通過非線性差頻產生實現中紅外輸出的方法已經具備實用化的可能。本發明利用近紅外寬調諧連續輸出半導體激光器，結合準相位匹配的非線性差頻產生技術，構建室溫工作的多譜段氣體吸收光譜檢測系統，克服了傳統紅外高分辨激光光譜系統調諧范圍窄、無法室溫下工作的缺點，真正實現了氣體的多組分、全譜帶的光譜測量。
圖1是本發明結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1圖中標號1、光學平臺2、工控機柜3、工控計算機4、波長計5、ECDL激光器電源控制器6、DFB激光器電源控制器7、近紅外InGaAs PIN光電探測器8、直流電源9、中紅外熱電制冷MCT光電探測器10、非球面反射鏡11、氣體吸收池12、非球面反射鏡13、光纖準直透鏡14、635nm可見光準直激光器15、Ge濾波片16、CaF2聚焦透鏡17、晶體加熱爐18、晶體加熱爐溫度控制器19、光纖準直透鏡20、635nm可見準直激光器21、1/2波片22、DFB激光器23、ECDL激光器24、可轉動反射鏡25、1/2波片26、可轉動反射鏡27、合束鏡28、膠合聚焦透鏡29、PPLN非線性晶體30、反射鏡31、聚焦透鏡32、光纖耦合器33、氣體吸收池34、聚焦透鏡。上述所涉及的部件中，3-6安裝在工控機柜2內，其余均安裝在光學平臺1上。
本發明采用ECDL半導體激光器23作為近紅外連續調諧激光光源，波長調諧范圍為1.49-1.58μm，輸出功率50mW，用于實現對分子近紅外光譜區進行高靈敏、高分辨檢測。同時，ECDL半導體激光器23又作為差頻產生中紅外系統的信號激光光源，通過與作為信號激光光源的DFB激光器22在晶體PPLN中的非線性光學差頻混頻，產生3.2-3.7μm中紅外連續調諧激光輸出。ECDL激光器23的工作模式由可轉動反射鏡26進行切換，當反射鏡26處于b位置時系統處于近紅外光譜區檢測狀態，ECDL激光器23輸出光束經反射鏡26反射后進入充滿檢測樣品氣體的氣體吸收池33，透射光束由聚焦透鏡聚焦到近紅外光電探測器7的光敏面上，探測信號經同軸電纜傳輸到工控計算機3，由計算機對光譜信號進行數據采集和處理。在近紅外光譜區光譜檢測模式下，工控計算機3發出的控制信號通過ECDL激光器電源控制器5的RS232串行數據端口對激光輸出波長進行掃描。當可轉動反射鏡26處于a位置時，系統處于中紅外光譜段檢測狀態。差頻轉換的泵浦激光光源由DFB激光器22提供，DFB激光器22的輸出波長為1.06μm，輸出功率為100mW。DFB激光器22和ECDL激光器23輸出線偏振光束分別由1/2波片21和25將偏振方向旋轉到垂直方向以滿足在非線性PPLN中準相位匹配差頻產生過程e+e→e的匹配關系，由合束鏡28對兩光束進行合束；合束鏡一面鍍有1.06μm增透膜，另一面鍍有1.48～1.59μm高反射率介質膜。合束后的光束由消色差膠合透鏡28聚焦到加熱爐17中的多光柵周期非線性極化PPLN非線性晶體29的通光面上。加熱爐的溫度可以由加熱爐控制器18設置適當的工作溫度，加熱爐工作溫度為室溫到200℃。PPLN非線性晶體29和加熱爐17可以橫向平移以選擇適當的極化光柵周期，結合工作溫度調諧以滿足準相位匹配的條件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分別是泵浦、信號、空閑光波矢量，km為非線性晶體的周期性極化引入的附加相移。差頻產生的中紅外光由CaF2聚焦透鏡16收集，并由中紅外增透鍍膜的Ge濾波片15濾除非線性轉換剩余的近紅外光束。差頻產生的中紅外光經Ge濾波片15后由非球面反射鏡12轉換為平行光入射由CaF2窗片的氣體吸收池11，透過氣體吸收池11的光束由非球面反射鏡10聚焦到MCT光電探測器的光敏面上，探測器中紅外吸收光譜信號通過同軸電纜送工控計算機，由計算機進行數據采集和處理。在中紅外差頻工作模式下，是利用DFB激光器快速波長調諧特性，通過在DFB激光器驅動電流上疊加掃描和調制電流信號實現DFB激光輸出波長的掃描和調制，進而實現中紅外差頻輸出光波波長的掃描和調制；掃描和調制信號由工控計算機產生，作用在DFB激光控制器的調制信號輸入端。ECDL激光器的輸出波長由波長計4進行定標，當可轉動反射鏡24處于位置a時，系統處于氣體吸收光譜檢測狀態，可轉動反射鏡24處于位置b時，反射光束先利用聚焦透鏡31和光纖耦合器32耦合入單模光纖，通過光纖將光束送波長計4進行波長定標。635nm可見準直激光器14和20用于系統的準直。
權利要求
1.多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統，其特征在于光學平臺上安裝有DFB激光器(22)和ECDL半導體激光器(23)，DFB激光器(22)后的光路中依次安裝有1/2波片(21)，合束鏡(27)，聚焦透鏡(28)，兩端通光的晶體加熱爐(17)，其中裝有PPLN非線性晶體(29)，CaF2聚焦透鏡(16)，Ge濾波片(15)，非球面反射鏡(12)；ECDL半導體激光器(23)后的光路中安裝有可轉動反射鏡(24)，1/2波片(25)，可轉動反射鏡(26)，反射鏡(30)，反射鏡(30)的反射光進入合束鏡(27)后合束反射進入聚焦透鏡(28)；可轉動反射鏡(24)的反射光路中依次安裝有聚焦透鏡(31)，光纖耦合器(32)，并通過光纖接入波長計(4)；可轉動反射鏡(26)的反射光路中依次安裝有氣體吸收池(33)，聚焦透鏡(34)，近紅外InGaAs PIN光電探測器(7)，近紅外InGaAs PIN光電探測器(7)的輸出信號接入到工控計算機(3)；非球面反射鏡(12)后的反射光路中依次安裝有氣體吸收池(11)，非球面反射鏡(10)，非球面反射鏡(10)的反射光由中紅外熱電制冷MCT光電探測器(9)接收，中紅外熱電制冷MCT光電探測器(9)的輸出信號接入到工控計算機(3)。
2.多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量方法，其特征在于包括(1)、近紅外激光光譜測量采用ECDL半導體激光器作為近紅外連續調諧激光光源，波長調諧范圍為1.49-1.58μm，發出的近紅外激光透射過充有待測氣體的氣體吸收池后，出射到InGaAs PIN光電探測器的探測面，InGaAs PIN光電探測器的輸出信號輸送到工控計算機處理；(2)、采用前述(1)中的ECDL半導體激光器發出的近紅外激光，波長調諧范圍為1.49-1.58μm，與DFB激光器發出的中紅外激光，輸出波長為1.06μm，分別經過1/2波片將偏振方向旋轉到垂直方向以滿足在非線性PPLN非線性晶體中準相位匹配差頻產生過程e+e→e的匹配關系，并合束后，透射過放置于加熱爐中的的多光柵周期PPLN非線性晶體，加熱爐工作溫度為室溫到200℃，非線性PPLN非線性晶體和加熱爐可以橫向平移以選擇適當的極化光柵周期，結合工作溫度調諧以滿足準相位匹配的條件Δk＝kp-ks-kl-km＝0，其中kp、ks、kl分別是泵浦、信號、空閑光波矢量，km為非線性PPLN非線性晶體的周期性極化引入的附加相移，差頻產生的中紅外光由CaF2聚焦透鏡收集，并由Ge濾波片濾除非線性轉換剩余的近紅外光束后，由非球面反射鏡轉換為平行光入射由CaF2窗片的氣體吸收池，透過該氣體吸收池的光束由另一非球面反射鏡聚焦到MCT光電探測器的光敏面上，輸出中紅外吸收光譜信號輸送到工控計算機，進行數據采集和處理。
全文摘要
本發明公開了一種基于紅外激光吸收光譜法的多譜段連續調諧高分辨紅外激光光譜測量系統和方法，包括近紅外和中紅外兩個譜段的高分辨激光光譜測量子系統，近紅外光譜系統由ECDL激光器，激光器電源，氣體吸收池，近紅外光電探測器，數據采集處理電路的工控計算組成。中紅外光譜系統由ECDL激光器，DFB激光器、激光器電源、1/2波片，合束鏡，消色差膠合鏡，多極化光柵周期PPLN非線性晶體，CaF
文檔編號G01N21/31GK101089609SQ20071002393
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月28日 優先權日2007年6月28日
發明者劉文清, 陳東, 張玉鈞, 崔小娟, 劉建國, 闞瑞峰, 王敏, 夏惠, 何瑩 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所