果如图4所示，图4(a)是使用ΙΚΗζ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ΙΚΗζ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ls，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。
[0021] 本发明技术与其它相同类技术相比有以下优点：
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 3.本发明较以往系统，使用ΙΚΗζ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1〇〇〇次的信号平均，信号的信噪 比大大提升；
[0025] 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】
[0026]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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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ΙΚΗζ快速扫描并且进行1000次平均得到的结果，图4(b) 是使用ΙΚΗζ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】
[0030] 下面结合附图对本发明技术作进一步的说明。
[0031] 如图1所示，由函数发生器1产生ΙΚΗζ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(?0 8，了11证1&1^，？041(^54〇探测，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。
[0032] 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。
[0033] 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ΙΚΗζ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ΙΚΗζ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ls，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。
【主权项】
1. 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（1)及分 布式反馈激光器（2)，函数发生器（1)信号输出端与分布式反馈激光器（2)的电压控制端口 相连接；其特征在于，分布式反馈激光器（2)的出射光路上顺次设有起偏器（3)、偏振旋转 器（4)、检偏器（5)以及设有两个出射端口的分束器（6);所述分束器（6)的一个出射端口的 出射光路上顺次设有第一准直镜（11)和第一光电探测器（12);第一光电探测器（12)的信 号输出端连接有比例积分微分控制器（13)，比例积分微分控制器（13)的信号输出端与偏 振旋转器（4)的电压控制端口相连接；所述分束器（6)的另一个出射端口的出射光路上设 有吸收光谱检测单元。2. 如权利要求1所述的基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描直接吸收装置，其特征在 于，吸收光谱检测单元包括顺次设在分束器（6)另一个出射端口出射光路上的第二准直镜 (7) 、充有待测气体的气体吸收池（8)以及第二光电探测器（9);第二光电探测器（9)的信号 输出端连接有电脑（10)。3. 如权利要求2所述的基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描直接吸收装置，其特征在 于，所述分束器（6)为1:9光纤分束器。4. 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，采用如权利要求2所 述的装置，其特征在于，由函数发生器（1)产生ΙΚΗζ三角波快速扫描信号送到分布式反馈 激光器（2)，从而扫描激光输出波长，分布式反馈激光器（2)出射的激光波束经过起偏器 (3) 变为线偏振光，偏振旋转器（4)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（5)的偏振方向之间的夹角可以改变激光功率；通过检偏器（5)的光经过分束器 (6)分为两部分：光强较强的一部分作为探测光，经第二准直镜（7)准直后通过气体吸收池 (8) ，和气体相互作用后作为吸收光信号被第二光电探测器（9)探测，光强较弱的一部分作 为反馈光，经第一准直镜（11)准直之后被第一光电探测器（12)探测，再经过比例积分微分 控制器（13)产生反馈信号送至偏振旋转器（4);通过改变偏振旋转器（4)上的电压就可以 旋转偏振旋转器（4)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 (4) 输出的激光功率；第二光电探测器（9)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（10)，电脑（10)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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105424648
【申请号】CN201510747346
【发明人】赵刚, 马维光, 谭巍, 李志新, 尹王保, 肖连团, 贾锁堂
【申请人】山西大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月4日