一种基于半导体激光器的NICE-OHMS系统

本发明属于激光光谱，具体涉及一种基于半导体激光器的nice-ohms系统。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，痕量气体检测技术已经在我们的生活中的各个方面得到了应用，例如，矿井下气体检测、芯片制造业、环境检测等多个领域有广泛的应用。比起传统的气体检测技术，吸收光谱技术具有无接触、高灵敏、可实现实时监测的优势。噪声免疫腔增强光外差分子光谱(nice-ohms)技术是世界上最灵敏的技术，nice-ohms技术结合了频率调制光谱(fms)技术和腔增强光谱(ceas)技术，分别用于抑制噪声以及增强气体吸收信号。在现有的nice-ohms系统中，为了实现激光器到高精度光学腔的锁定，需要超窄线宽的激光器，其线宽约为10khz，利用pdh技术和dvb技术实现频率锁定。

2、现有的nice-ohms系统激光器价格昂贵，尝试使用价格便宜的半导体激光器来降低价格，但是这种半导体激光器的线宽很宽约为mhz，这种量级的线宽耦合效率极低，因而如何使半导体激光器也能有很高的耦合效率成为亟需解决的问题。此外传统nice-ohms系统的pdh伺服回路复杂、频率捕捉范围较窄，因而如何降低伺服回路的复杂性，实现半导体激光器频率与腔的紧密结合，以及提供广泛的频率捕捉范围，也成为nice-ohms系统产业化的难以解决的问题，因此本发明提供一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，大大降低了nice-ohms系统的成本，其设计对于将该系统产业化具有重要的意义。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于半导体激光器的nice-ohms系统。

2、为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明提出了一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，包括激光控制器、dfb激光器、精密位移台、准直器、精密位移台、1/2波片、pbs、反射镜、第一pzt、匹配透镜、1/4波片、光学腔、第一pid伺服回路、第二射频信号源、第二移相器、第四混频器、第三低通滤波器、第二光电探测器；

4、所述激光控制器驱动dfb激光器发出出射光，依次经过电光调制器、准直器、1/2波片、pbs、反射镜、匹配透镜、1/4波片到达光学腔，所述光学腔的反射光原路返回至pbs后产生两束光，一束进入第二光电探测器，另一束经过1/2波片、准直器、电光调制器，最后回到dfb激光器，所述准直器设置在精密位移台上，用于粗调激光输出面和光学腔前镜之间的距离；

5、第二射频信号源发出的射频信号一路进入电光调制器，一路经过第二移相器进入第四混频器，第二光电探测器探测到的反射信号也进入第四混频器，经过第四混频器得到拍频信号，拍频信号经过第三低通滤波器，到达第一pid伺服回路，进而控制第一pzt，所述第一pzt设置在反射镜上。

6、进一步地，第一pid伺服回路输出反馈信号控制第一pzt，用于精细调节激光输出面和光学腔的腔前镜之间的距离来控制反馈相位，使得经过pbs的另一束反射光(是反射回dfb激光器的光)相位和dfb激光器发出的出射光相位的相位差为2π整数倍，实现dfb激光器频率到光学腔的锁定。

7、进一步地，系统还包括：第二低通滤波器、第一射频信号源、第二混频器、第二pid伺服回路、带通滤波器、第三移相器、第三混频器；

8、第一射频信号源发出的射频信号一路进入电光调制器，一路进入第二混频器，第二射频信号源发出的射频信号也进入第二混频器，经过第二混频器后产生拍频信号，拍频信号经过带通滤波器、第三移相器进入第三混频器，第二光电探测器探测到的反射信号也进入第三混频器，经过第三混频器产生拍频信号，拍频信号经过第二低通滤波器、第二pid伺服回路输出反馈信号，该反馈信号返回到第一射频信号源实现dvb锁定。

9、进一步地，系统还包括：第二pzt、第一光电探测器、第一混频器、第一低通滤波器、第一移相器、fm-nice-ohms信号；

10、所述光学腔的透射光经过光学腔的透射镜，被第一光电探测器探测，所述第二pzt设置在光学腔的透射镜上，所述第一光电探测器探测的透射信号也进入第一混频器，所述第一射频信号源发出的射频信号一路经过第一移相器进入第一混频器，在第一混频器中得到拍频信号，再经过第一低通滤波器输出fm-nice-ohms信号，即为系统的探测信号。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

12、(1)现有的nice-ohms系统需要窄线宽的激光器，如掺铒光纤激光器、回音壁激光器等，这些激光器售价在10万以上，而本发明设计的系统采用的激光器为dfb激光器，其售价为数千元，大大的降低nice-ohms系统的成本，有利于nice-ohms技术产业化。

13、(2)传统pdh锁定的锁定范围受到腔模线宽的限制，其锁定范围通常为khz级别，而本发明采用光学反馈技术可获得数百mhz的锁定范围，因此本发明的系统具有更坚固的锁定机构，系统兼容性也更高。

14、(3)传统pdh锁定需要根据激光器的传递函数设计pid伺服回路，而本发明的pid伺服回路设计为低带宽的伺服系统来补偿反馈相位，简化了实验装置复杂性。

技术特征：

1.一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，其特征在于，包括激光控制器(1)、dfb激光器(2)、电光调制器(3)、准直器(4)、精密位移台(5)、1/2波片(6)、pbs(7)、反射镜(8)、第一pzt(9)、匹配透镜(10)、1/4波片(11)、光学腔(12)、第一pid伺服回路(20)、第二射频信号源(23)、第二移相器(25)、第四混频器(29)、第三低通滤波器(30)、第二光电探测器(31)；

2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，其特征在于，所述第一pid伺服回路(20)输出反馈信号控制第一pzt(9)，用于精细调节激光输出面和光学腔(12)的腔前镜之间的距离来控制反馈相位，使得经过pbs(7)的另一束反射光相位和dfb激光器(2)发出的出射光相位的相位差为2π整数倍，实现dfb激光器(2)频率到光学腔(12)的锁定。

3.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，其特征在于，还包括第二低通滤波器(17)、第一射频信号源(21)、第二混频器(22)、第二pid伺服回路(24)、带通滤波器(26)、第三移相器(27)、第三混频器(28)；

4.根据权利要求3所述的一种基于半导体激光器的nice-ohms系统，其特征在于，还包括第二pzt(13)、第一光电探测器(14)、第一混频器(15)、第一低通滤波器(16)、第一移相器(18)、fm-nice-ohms信号(19)；

技术总结
本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器的NICE‑OHMS系统。现有的NICE‑OHMS系统激光器价格昂贵、PDH伺服回路复杂、频率捕捉范围较窄，本发明将半导体激光器应用到NICE‑OHMS系统中，且利用光学反馈和反馈相位的主动控制，实现对光学腔的激光锁定，并且本系统的PID伺服回路简单，频率锁定范围更宽。本发明只需要简单的PID伺服回路与价格低廉的激光器就可以探测不同痕量气体，简化实验装置复杂性，提高了系统兼容性，降低了成本，有利于NICE‑OHMS技术产业化。

技术研发人员：李勇,赵刚,周晓彬,赵雪丰,漆佳恒,张博峰,闫晓娟,马维光
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25