一种用于染料激光器的波长修正控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供的用于染料激光器的波长修正控制系统，包括染料激光器、样品池、信号探测单元、信号处理单元。染料激光器经β相偏硼酸钡晶体倍频后再输出，经倍频后输出的激光经分束镜分束后通过入射窗进入样品池；信号探测单元中包含窄带滤波片的荧光收集镜头，滤除干扰，并将激光激发的荧光信号聚焦，通过光电倍增管采集该荧光信号，光电二极管监测激光能量信号。信号处理单元中信号采集卡接收光电倍增管和光电二极管采集的信号，并传送至计算机，计算机通过USB控制染料激光器的光栅和β相偏硼酸钡晶体的参数，以调整激光输出波长。利用本发明的波长修正控制系统能够实现染料激光器波长在待测物质激发线位置的精确定位，定位精度高达0.1pm。
【专利说明】
一种用于染料激光器的波长修正控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及环境监测中选择性吸收比较强、吸收线宽比较窄的大气痕量气体监测技术领域。具体涉及一种用于染料激光器的波长修正控制系统。【背景技术】
[0002]随着经济的高速发展，环境问题愈演愈烈，尤其是大气污染问题越来越受到人们的重视。大气中污染性气体的成分及浓度是治理大气污染首要关心的问题。而对于大气中活性比较强、浓度比较低的痕量气体监测目前还存在诸多问题。尤其在激光诱导荧光技术检测待测物浓度时，激光激发待测物使之产生荧光，通过检测荧光的强度来获得待测物浓度;此方法中最重要的是保证激光波长与待测物振转态吸收线产生共振吸收，并保持吸收系数在最大的位置，才能更准确的测得待测物浓度。一般比较好的染料激光器具有2pm/°C 的温漂，当待测物吸收线宽比较窄时，为了保证监测结果的准确性，染料激光器波长的长期稳定是一个必须要解决的问题。而激光器波长本身的稳定性往往达不到监测所需要的稳定性。因此，如何提高染料激光器的波长的稳定性对于本领域技术人员来说是急需解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于染料激光器的波长修正控制系统，该控制系统能够提高染料激光器波长的稳定性，使染料激光器所发出的激光波长长期稳定，进而提高对大气中痕量气体浓度的监测精度。
[0004]为实现上述目的，本发明提供了一种用于染料激光器的波长修正控制系统，包括:
[0005]样品池，所述样品池包括设于所述样品池顶部的进气口，设于所述样品池底部的抽真空口，对称设于所述样品池两侧的入射窗和出射窗，垂直设于所述样品池另一侧面的信号采集口，所述抽真空口连接有真空栗，且所述抽真空口处设有压力计；
[0006]染料激光器，用于发射激光，所述染料激光器的发射端连接有0相偏硼酸钡晶体， 所述0相偏硼酸钡晶体与所述入射窗之间设有分束镜，所述分束镜用于将经过所述0相偏硼酸钡晶体的激光进行分束；
[0007]信号探测单元，所述信号探测单元包括连接于所述信号采集口的荧光收集镜头， 与所述荧光收集镜头相连接的光电倍增管，设于所述出射窗出射方向上的光电二极管;所述染料激光器发射的激光经所述0相偏硼酸钡晶体倍频后，经所述分束镜分束，分束后的激光通过所述入射窗进入所述样品池内，所述样品池内的物质经激光激发而发射荧光，所述光电倍增管通过所述信号采集口采集信号，所述光电二极管采集所述出射窗射出的信号；
[0008]信号处理单元，所述信号处理单元包括信号采集卡、延时发生器和计算机;所述信号采集卡分别与所述光电倍增管和所述光电二极管相连接，用于接收所述光电倍增管和所述光电二极管采集的信号，所述延时发生器分别与所述染料激光器和所述信号采集卡相连接，用于触发所述染料激光器和所述光电二极管;所述计算机连接于所述信号采集卡与所述染料激光器之间，用于处理经过所述信号采集卡的信号。
[0009]可选的，所述样品池还包括两两相互垂直且相交于一点的气流轴、激光轴和探测轴，所述气流轴为连接所述进气口和所述抽真空口的轴向通路，所述激光轴为连接所述入射窗和所述出射窗的轴向通路，所述探测轴为所述信号采集口延伸方向的轴向通路。
[0010]可选的，所述光电倍增管的光电阴极设于所述荧光收集镜头的焦面处。
[0011]可选的，所述入射窗与所述出射窗设有镀有增透膜的窗片，两所述窗片与所述入射窗和所述出射窗的对称轴呈布儒斯特角。
[0012]可选的，所述光电倍增管用于采集所述样品池中的产生的荧光信号，所述光电二极管用于采集经过所述样品池后的激光能量信号。
[0013]可选的，所述信号采集卡采用双通道高速采集卡，其中一个通道用于采集所述光电倍增管采集的信号，另一个通道用于采集所述光电二极管采集的信号。
[0014]可选的，所述计算机利用梯形法则积分处理所述信号采集卡采集的信号。
[0015]本发明的另一目的在于提供一种染料激光器的波长修正控制方法，利用所述的用于染料激光器的波长修正控制系统进行波长修正控制，控制方法包括:
[0016]设定染料激光器发射的激光在大于样品物质吸收线4-8pm位置输出；
[0017]调用波长扫描函数对输出激光的波长进行扫描；
[0018]获取光电倍增管采集的荧光信号，获取光电二极管采集的激光能量信号；
[0019]利用梯形法则积分处理所述荧光信号，获得归一化的荧光信号；
[0020]比较所述归一化的荧光信号，获得荧光信号最强值I;
[0021]再次扫描输出激光的波长，获取荧光信号强度；
[0022]比较所述荧光信号强度和所述荧光信号最强值I，获得比较结果；
[0023]当所述比较结果表示:所述荧光信号强度为0.951时，所述再次扫描输出激光的激光输出位置为待测物激发线位置；[〇〇24]判断所述荧光信号强度是否小于阈值0.91，获得判断结果；
[0025]当所述判断结果表示:所述荧光信号强度小于阈值0.91，重新扫描输出激光的波长，获取待测物激发线位置。
[0026]可选的，当所述判断结果表示:所述荧光信号强度大于阈值0.91，重新判断所述荧光信号强度是否小于阈值0.91，获得判断结果，直至所述荧光信号强度小于阈值0.91。
[0027]可选的，所述扫描输出激光的波长每特定时间进行一次。
[0028]根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果:本发明提供的用于染料激光器的波长修正控制系统，包括染料激光器、样品池、信号探测单元、信号处理单元。 染料激光器经0相偏硼酸钡晶体⑴_BaB204晶体，BB0晶体)倍频后再输出，经倍频后输出的激光经分束镜分束后通过入射窗进入样品池;信号探测单元中包含窄带滤波片的荧光收集镜头，滤除干扰，并将激光激发的荧光信号聚焦，通过光电倍增管采集该荧光信号，光电二极管监测激光能量信号。信号处理单元中信号采集卡接收光电倍增管和光电二极管采集的信号，并传送至计算机，计算机通过USB控制染料激光器的光栅和0相偏硼酸钡晶体的参数， 以调整激光输出波长。利用本发明提供的用于染料激光器的波长修正控制系统能够实现染料激光器波长在待测物质激发线位置的精确定位，定位精度高达0.1pm;本发明采用计算机全自动控制，无需人工操作，实现了波长修正的智能化；以待测物质本身的吸收线作为参考，针对性强，对于不同痕量物质的测量，只需调整样品池中样品即可，具有可移植的能力。 【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本发明实施例提供的用于染料激光器的波长修正控制系统结构示意图；
[0031]图2为本发明实施例提供的染料激光器的波长修正控制方法的流程图。【具体实施方式】[〇〇32]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[〇〇33]本发明提供了一种用于染料激光器的波长修正控制系统，包括:
[0034]样品池1，样品池1包括设于样品池1顶部的进气口 11，设于样品池1底部的抽真空口 12,对称设于样品池1两侧的入射窗13和出射窗14,垂直设于样品池1另一侧面的信号米集口 15,抽真空口 12连接有真空栗(图中未示出)，且抽真空口 12处设有压力计16。本实施方式中的样品池1为140*100*90mm的航空铝材料腔体，内外壳体全部需要进行阳极化发黑处理以便减少杂散光，提高荧光信号的检测精度和激光能量信号的检测精度。入射窗13和出射窗14的窗片采用镀有增透膜的石英窗片密封，两窗片与入射窗13和出射窗14的对称轴呈布儒斯特角，这样是为了减小反射光。该样品池还包括两两相互垂直且相交于一点的气流轴、激光轴和探测轴，气流轴为连接进气口 11和抽真空口 12的轴向通路，激光轴为连接入射窗13和出射窗14的轴向通路，探测轴为信号采集口 15延伸方向的轴向通路。三轴相互垂直的设计能够减小激光杂散光的干扰，有利于荧光的激发与探测，提高探测精度。气流轴上方由进气口 11通气，下方由抽真空口 12接真空栗，并通过薄膜真空压力计16监控样品池内气压，采用无油涡旋真空栗对样品池抽真空，以使样品池内气压与监测系统的气压保持一致。 [〇〇35]染料激光器2,用于发射激光，染料激光器2的发射端连接有0相偏硼酸钡晶体3，0 相偏硼酸钡晶体3(BB0晶体)与入射窗13之间设有分束镜4,分束镜4用于将经过0相偏硼酸钡晶体3的激光进行分束;本实施方式中染料激光器2为YAG激光器栗浦的染料激光器，其波长随温度变化为2pm/°C，经BB0晶体二倍频后的波长调节精度为0.lpm。具体的分束器4分束约8%的激光进入样品池1。根据染料激光器2与样品池1的设置位置关系的需要，还可以通过转折镜(图中未示出)将经过分束器4分束后的激光转折后进入样品池1，以方便样品池1 和染料激光器2的放置。
[0036]信号探测单元5,信号探测单元5包括连接于信号采集口 15的荧光收集镜头51，与荧光收集镜头51相连接的光电倍增管52,设于出射窗14出射方向上的光电二极管53;染料激光器2发射的激光经13相偏硼酸钡晶体二倍频后，经分束镜4分束，分束后的激光通过入射窗13进入样品池1内，样品池1内的物质经激光激发而发射荧光，光电倍增管52通过信号采集口 15采集信号，光电二极管53采集出射窗14射出的信号。[〇〇37] 信号处理单元6，信号处理单元6包括信号采集卡61、延时发生器62和计算机63;信号采集卡61分别与光电倍增管52和光电二极管53相连接，用于接收光电倍增管52和光电二极管53采集的信号，延时发生器62分别与染料激光器2和信号采集卡61相连接，用于触发染料激光器2和光电二极管53;计算机63连接于信号采集卡61与染料激光器2之间，用于处理经过信号采集卡61的信号，并控制染料激光器2发射一定波长的激光。[〇〇38]本实施方式中的染料激光器2经0相偏硼酸钡晶体3(|3-BaB204晶体，BB0晶体)倍频后再输出，经倍频后输出的激光经分束镜4分束后通过入射窗13进入样品池1;信号探测单元5中包含窄带滤波片的荧光收集镜头51，滤除干扰，并将激光激发的荧光信号聚焦，通过光电倍增管52采集该荧光信号，光电二极管53监测激光能量信号。信号处理单元6中信号采集卡61接收光电倍增管52和光电二极管53采集的信号，并传送至计算机63,计算机63通过 USB控制染料激光器1的光栅和0相偏硼酸钡晶体3的参数，以调整激光输出波长。利用本发明提供的用于染料激光器的波长修正控制系统能够实现染料激光器波长在待测物质激发线位置的精确定位，定位精度高达0.1pm;本发明采用计算机全自动控制，无需人工操作，实现了波长修正的智能化；以待测物质本身的吸收线作为参考，针对性强，对于不同痕量物质的测量，只需调整样品池中样品即可，具有可移植的能力。
[0039]作为一种可选的实施方式，光电倍增管52的光电阴极设于荧光收集镜头51的焦面处，以提高获取荧光信号的精度。光电倍增管52用于采集样品池中的产生的荧光信号，光电二极管53用于采集经过样品池后的激光能量信号。信号采集卡61采用双通道高速采集卡， 其中一个通道用于采集光电倍增管52采集的信号，另一个通道用于采集光电二极管53采集的信号，利用双通道高速采集卡，将两种信号分别采集，保证了信号无干扰和采集的高效率。
[0040]作为一种可选的实施方式，计算机63利用梯形法则积分处理信号采集卡61采集的信号，当然还可以采用辛普森积分和Bode积分处理方式，本实施方中选用梯形法则积分处理方法使计算更简便，进而能够减轻程序运算负担，提高系统探测荧光的效率。[0041 ]在上述实施方式中，染料激光器2为高重频脉冲染料激光器，由延时发生器62统一触发染料激光器2和光电二极管53,以确保及时捕捉到荧光信号和激光能量信号。
[0042]在上述实施方式中，应确保控制系统的气密性良好，避免空气痕量气体对系统的干扰，特别是针对反应活性比较强的待测物。[〇〇43]本发明的另一目的在于提供一种染料激光器的波长修正控制方法，利用所述的用于染料激光器的波长修正控制系统进行波长修正控制，控制方法包括:
[0044]步骤201:设定染料激光器发射的激光在大于样品物质吸收线4-8pm位置输出；
[0045]步骤202:调用波长扫描函数对输出激光的波长进行扫描；
[0046]步骤203:获取光电倍增管采集的荧光信号，获取光电二极管采集的激光能量信号；[〇〇47]步骤204:利用梯形法则积分处理荧光信号，获得归一化的荧光信号；[〇〇48]步骤205:比较归一化的荧光信号，获得荧光信号最强值I;
[0049]步骤206:再次扫描输出激光的波长，获取荧光信号强度；
[0050]步骤207:比较荧光信号强度和荧光信号最强值I，获得比较结果；[0051 ]当比较结果表示:荧光信号强度为0.951时(设定阈值0.951因各系统稳定性的差异而有所不同)，再次扫描输出激光的激光输出位置为待测物激发线位置；[〇〇52]步骤208:判断荧光信号强度是否小于阈值0.91 (具体阈值需根据系统的具体情况设定)，获得判断结果；[〇〇53]当判断结果表示:荧光信号强度小于阈值0.91，重新扫描输出激光的波长，获取待测物激发线位置。[〇〇54]作为一种可选的实施方式，在上述方法中，当判断结果表示:荧光信号强度大于阈值0.91，重新判断荧光信号强度是否小于阈值0.91，获得判断结果，直至荧光信号强度小于阈值0.91。
[0055]作为一种可选的实施方式，扫描输出激光的波长每特定时间进行一次，本实施方式中，特定时间为30分钟，这样，固定时间的波长扫描减小了高浓度试验样品浓度波动对波长定位的影响，提高待测物激发线定位的精度。
[0056]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0057]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，包括:样品池，所述样品池包括设于所述样品池顶部的进气口，设于所述样品池底部的抽真 空口，对称设于所述样品池两侧的入射窗和出射窗，垂直设于所述样品池另一侧面的信号 采集口，所述抽真空口连接有真空栗，且所述抽真空口处设有压力计；染料激光器，用于发射激光，所述染料激光器的发射端连接有0相偏硼酸钡晶体，所述0 相偏硼酸钡晶体与所述入射窗之间设有分束镜，所述分束镜用于将经过所述0相偏硼酸钡 晶体的激光进行分束；信号探测单元，所述信号探测单元包括连接于所述信号采集口的荧光收集镜头，与所 述荧光收集镜头相连接的光电倍增管，设于所述出射窗出射方向上的光电二极管;所述染 料激光器发射的激光经所述0相偏硼酸钡晶体倍频后，经所述分束镜分束，分束后的激光通 过所述入射窗进入所述样品池内，所述样品池内的物质经激光激发而发射荧光，所述光电 倍增管通过所述信号采集口采集信号，所述光电二极管采集所述出射窗射出的信号；信号处理单元，所述信号处理单元包括信号采集卡、延时发生器和计算机;所述信号采 集卡分别与所述光电倍增管和所述光电二极管相连接，用于接收所述光电倍增管和所述光 电二极管采集的信号，所述延时发生器分别与所述染料激光器和所述信号采集卡相连接， 用于触发所述染料激光器和所述光电二极管;所述计算机连接于所述信号采集卡与所述染 料激光器之间，用于处理经过所述信号采集卡的信号。2.根据权利要求1所述的用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，所述样品 池还包括两两相互垂直且相交于一点的气流轴、激光轴和探测轴，所述气流轴为连接所述 进气口和所述抽真空口的轴向通路，所述激光轴为连接所述入射窗和所述出射窗的轴向通 路，所述探测轴为所述信号采集口延伸方向的轴向通路。3.根据权利要求1所述的用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，所述光电 倍增管的光电阴极设于所述荧光收集镜头的焦面处。4.根据权利要求1所述的用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，所述入射 窗与所述出射窗设有镀有增透膜的窗片，两所述窗片与所述入射窗和所述出射窗的对称轴 呈布儒斯特角。5.根据权利要求1所述的用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，所述光电 倍增管用于采集所述样品池中产生的荧光信号，所述光电二极管用于采集经过所述样品池 后的激光能量信号。6.根据权利要求1或5所述的用于染料激光器的波长修正控制系统，其特征在于，所述 信号采集卡采用双通道高速采集卡，其中一个通道用于采集所述光电倍增管采集的信号， 另一个通道用于采集所述光电二极管采集的信号。7.—种染料激光器的波长修正控制方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的用于染 料激光器的波长修正控制系统进行波长修正控制，控制方法包括:设定染料激光器发射的激光在大于样品物质吸收线4_8pm位置输出；调用波长扫描函数对输出激光的波长进行扫描；获取光电倍增管采集的荧光信号，获取光电二极管采集的激光能量信号；利用梯形法则积分处理所述荧光信号，获得归一化的荧光信号；比较所述归一化的荧光信号，获得荧光信号最强值I;再次扫描输出激光的波长，获取荧光信号强度；比较所述荧光信号强度和所述荧光信号最强值I，获得比较结果；当所述比较结果表示:所述荧光信号强度为0.951时，所述再次扫描输出激光的激光输 出位置为待测物激发线位置；判断所述荧光信号强度是否小于阈值0.91，获得判断结果；当所述判断结果表示:所述荧光信号强度小于阈值0.91，重新扫描输出激光的波长，获 取待测物激发线位置。8.根据权利要求7所述的染料激光器的波长修正控制方法，其特征在于，当所述判断结 果表示:所述荧光信号强度大于阈值0.91，重新判断所述荧光信号强度是否小于阈值0.91， 获得判断结果，直至所述荧光信号强度小于阈值〇.91。9.根据权利要求7所述的染料激光器的波长修正控制方法，其特征在于，所述扫描输出 激光的波长每特定时间进行一次。
【文档编号】G01N21/64GK106018363SQ201610331137
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】胡仁志, 杏兴彪, 谢品华, 陈浩, 凌六, 凌六一, 刘建国, 刘文清
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院