由分频器(8)连接高频信号发生器(3)的输出端，分频器(8)的触发信号端连接脉冲电流源(1);同步模块将高频信号发生器(3)产生的重复频率为高频正弦信号分成两路输出，一路用于触发可见光或近红外激光器电源，产生强度为同频率正弦变化的可见光或近红外激光输出；另一路通过比较器将正弦信号整形成同频率的方波信号，再将整形后的方波信号分频，变成频率为的触发信号，并通过稳压电路稳定分频后的方波信号电平，采用该方波信号作为脉冲电流源(1)的触发信号，为分布反馈式量子级联激光器(2)提供脉宽为Tp、重复频率为矩形电流脉冲序列，即脉冲驱动电流，由此保证分布反馈式量子级联激光器(2)的红外光脉冲与可见光或近红外激光光源(5)输出的正弦调制光束同步，进而实现光谱扫描与频率调制同步； 所述气体多返腔作为被检测气体的密封性容器，包括密封腔体(9)、进气口(10)、排气口(11)、真空计(12)、排气栗(13)、入射窗口(14)、出射窗口(15)、第一反射镜(16)和第二反射镜(17)，所述入射窗口(14)和出射窗口(15)左右相对位于密封腔体(9)的两端，第一反射镜(16)和第二反射镜(17)两者相对并上下错开设置在密封腔体(9)内，并分别靠近入射窗口(14)和出射窗口(15)，所述进气口(10)和排气口(11)设置在密封腔体(9)上，真空计(12)安装在密封腔体(9)内，排气栗(13)连接在排气口(11)上；通过排气栗(13)抽气，将被检测气体由进气口(10)引入密封腔体(9)，通过真空计(12)检测气体压力；由经过频率调制的分布反馈式量子级联激光器(2)输出红外光束由入射窗口(14)进入气体多返腔，在平行放置的第一反射镜(16)和第二反射镜(17)之间来回反射数次后，由出射窗口(15)出射； 所述调频光谱采集模块实现对气体的调频光谱的采集，由红外聚焦器件(18)、频率带宽为、且cod大于ω ?的高速红外探测器(19)、频率带宽为ω:、且大于ω ?高速锁相放大器(20)、高速信号采集卡(21)和计算机(22)组成；所述红外聚焦器件(18)正对出射窗口(15)，并与出射红外光束同轴，其聚焦点落在高速红外探测器(19)的探测面，高速红外探测器(19)、高速锁相放大器(20)、高速信号采集卡(21)和计算机(22)依次电信号连接；由出射窗口(15)出射的红外光束，通过红外聚焦器件(18)汇聚到高速红外探测器(19)上并形成输出信号，该信号被送入高速锁相放大器(20)，高速锁相放大器(20)将该信号中频率为的信号输出并送入高速信号采集卡(21)，最后通过计算机(22)读取信号采集卡(21)输出信号，得到随时间变换的被检测气体红外调频光谱，调频光谱的峰峰值与被检测气体的浓度成正比。2.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统，其特征在于，所述分布反馈式量子级联激光器(2)光谱扫描，是采用矩形脉冲电流，脉冲电流源为分布反馈式量子级联激光器提供一个高于阈值的脉冲驱动电流序列，驱动电流在一个脉冲宽度Τρ的时间内对激光器内部腔体持续加热，导致激光器的有效腔长增加，在电流脉冲持续时间内通过电流产生热量累集，改变量子级联激光器的腔体温度，从而增大其等效谐振腔长度，导致输出波长随时间增加而变大，实现光谱的快速扫描，其脉冲宽度通常在100纳秒到10微秒之间不等。3.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统，其特征在于，所述对分布反馈式量子级联激光器(2)进行调制的可见光或近红外调制光束，其对应的光子能量大于或等于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量，调制光束在量子级联激光器谐振腔内，通过激发价带电子跃迀到导带，形成自由电子和空穴，改变量子级联激光器谐振腔折射率，进而改变量子级联激光器谐振腔有效腔长，从而改变量子级联激光器输出红外波长或光频率，实现对分布反馈式量子级联激光器的频率调制。4.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统，其特征在于，所述同步模块实现脉冲电流源(1)的矩形电流脉冲和正弦电流源(4)的正弦电流同步的过程是:由高频信号发生器(3)产生重复频率为高频触发信号，其中ω η大于控制正弦电流源(4)产生频率为的正弦电流，驱动可见光或近红外激光光源(5);通过分频器(8)将高频信号发生器(3)输出的重复频率为高频触发信号，变成频率为的触发信号，将该信号作为脉冲电流源(1)触发信号，向分布反馈式量子级联激光器(2)提供脉宽为Tp、重复频率为cojg形电流脉冲序列，由此保证分布反馈式量子级联激光器(2)的红外光脉冲与可见光或近红外激光光源(5)输出的正弦调制光束同步，进而实现光谱扫描与频率调制同步。5.利用权利要求1-4所述系统实现气体检测的方法，其特征在于，所述方法是利用高频信号发生器(3)产生的信号，一路用于控制正弦电流源(4)对可见光或近红外激光器(5)提供驱动正弦电流，产生光强呈正弦变化的可见光或近红外调制光束；高频信号发生器(3)产生的信号，另一路提供给分频器(8)，分频器(8)将信号整形、分频后，用于触发量子级联激光器的脉冲电流源(1)，为分布反馈式量子级联激光器(2)提供脉冲驱动电流，产生中红外光脉冲，同时恒温装置(23)为量子级联激光器其提供恒温工作环境；可见光或近红外激光器(5)发出的可见光或近红外调制光束先由光束准直器(6)准直，再由聚焦器(7)汇聚在分布反馈式量子级联激光器(2)出射端面的有源区上，使得分布反馈式量子级联激光器(2)产生高速频率调制；经过频率调制的中红外光经入射窗口(14)进入多返腔密封腔体(9)，密封腔体(9)的真空度由排气口(11)和排气栗(13)控制，待测气体样本通过进气口(10)充入气体多返腔，并由真空计(12)测量其实际充入量；通过调节第一、第二反射镜(16,17)实现中红外多次反射，增大气体有效吸收光程；中红外激光由出射窗口 15射出并由红外聚焦器件(18)聚焦到高速红外探测器(19)，红外探测器(19)输出信号送入高速锁相放大器(20)，并通过采集卡(21)由计算机(22)获取待检测气体的调频光谱。
【专利摘要】本发明涉及一种基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统及方法，其包括量子级联激光器光谱扫描模块、高速频率调制模块、同步模块、气体多返腔和，调频光谱采集模块。在传统的气体检测系统的基础上，使用分布反馈式量子级联激光器，利用中红外激光器产生强度调制的调制光照射脉冲量子级联激光器的出射端面，实现对量子级联激光器全光调制，并通过气体多返腔来完成对气体样本的控制及定量检测，并由高速中红外探测器高速锁相放大器、高速信号采集卡、计算机采集全光调制气体吸收光谱，实现高速、高精度的气体检测。该高速红外调频激光光谱气体检测系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术及痕量气体检测。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105424650
【申请号】CN201510955088
【发明人】陈刚, 彭琛, 周海军, 陈李
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月17日