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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。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1,可表示为：
[0005] It=I0e° (1)
[0006] 其中，α表示吸收系数，可以表示为：
[0007]
(2)
[0008]其中，c是被测气体浓度，S为对应分子的吸收线强度，Ρ为气体压强，L为吸收光 程，f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Aα-般只能达 到1X10 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。
[0009]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】
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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1 3的线偏光通过检偏器时，透射光 光强Ib可以表示为：
[0013]Ib=Iacos2 (α) (3)
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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ΙΚΗζ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。
[0018] 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。
[0019] 本发明所述装置中使用ΙΚΗζ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，Is的时间测量可以 使用得到1〇〇〇组结果进行平均，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。
[0020] 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