一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法及系统与流程

本发明涉及光学反馈，并且更具体地，涉及一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法及系统。

背景技术：

1、光声光谱技术是近年来发展迅速的一种激光吸收光谱技术，该技术通过探测痕量气体吸收特定波长激光能量后释放出的声波信号，获得待测气体在特征吸收波长范围内的光谱，从而完成对待测气体成分及浓度的探测。光声光谱技术是一种零背景(无特定吸收时没有信号输出)、无波长选择性(适用于从紫外到太赫兹的所有光谱波段的光源)且线性响应范围宽(对待测气体浓度拥有至少三个数量级的线性响应)的激光吸收光谱技术。受益于近年来激光技术以及弱信号检测技术的快速发展，光声光谱技术已成为实现痕量气体实时检测的有效方法。

2、石英增强光声光谱技术是基于光声光谱技术并以石英音叉作为声学传感器的痕量气体检测技术。与传统光声光谱技术中光声能量在声学谐振腔内实现累积放大不同，石英增强光声光谱技术中的光声能量主要累积在由石英音叉与一维声学腔耦合构成的测声模块内。由于石英音叉具有很高的品质因数(常压下可达到9000)，因此由石英音叉构成的测声模块对微弱的光声信号具有很好的放大作用，从而使该技术获得了高的探测灵敏度。此外，石英增强光声光谱技术还具有体积小、成本低、操作简单、对环境噪声免疫等优点。但石英增强光声光谱技术对使用的激光频率具有较高的要求，需要保持激光频率的稳定性。如果激光频率不稳定，会导致光声信号的频率漂移，影响分析结果的准确性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，包括：

2、基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；

3、基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与f-p腔的腔膜大小进行匹配；

4、将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；

5、将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经caf2窗口镜折射进入与激光器匹配的f-p腔，将经过f-p腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。

6、可选的，方法还包括：将经过f-p腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。

7、可选的，激光器波长为4.59μm，功率为45mw。

8、可选的，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。

9、可选的，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。

10、可选的，f-p腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125khz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500mhz，体积为1.7l。

11、可选的，石英音叉的叉臂呈t型，固有频率为15.82khz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。

12、可选的，方法还包括：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。

13、可选的，函数发生器的输出频率为15.82khz，与石英音叉的固有频率一致。

14、再一方面，本发明还提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测系统，包括：

15、第一信号传输单元，用于基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；

16、第二信号传输单元，用于基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与f-p腔的腔膜大小进行匹配；

17、第三信号传输单元，用于将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；

18、检测单元，用于将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经caf2窗口镜折射进入与激光器匹配的f-p腔，将经过f-p腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。

19、可选的，第三信号传输单元还用于：将经过f-p腔的激光中预设部分的激光，一部分沿原光路返回至分光境和另一部分折射至光电探测器，经光电探测器将激光信号转换为电信号，并将激光转换的电信号输出至锁相放大器，并同时将石英音叉输出的电信号和函数发生器的电信号同时输入至锁相放大器，基于锁相放大器对输入的全部电信号进行解调，确定信号误差。

20、可选的，激光器波长为4.59μm，功率为45mw。

21、可选的，第一反射镜和第二反射镜安装在压电位移平台上。

22、可选的，第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜的焦距分别为200mm、-200mm和150mm。

23、可选的，f-p腔，包括：反射率为99.92％的第一高反镜和第二高反镜，腔精细度为4000，腔模式线宽为125khz，腔长为290mm，相应自由光谱区为500mhz，体积为1.7l。

24、可选的，石英音叉的叉臂呈t型，固有频率为15.82khz，叉臂间距为0.8mm，第一谐振管和第二谐振管长度为12.4mm，内径为1.5mm，第一谐振管和第二谐振管沿光路对称置于石英音叉两侧，第一谐振管和第二谐振管与石英音叉的叉臂外侧保持预设间距。

25、可选的，第三信号传输单元还用于：锁相放大器对石英音叉输出的光声信号和光电探测器输出的腔膜信号进行解调。

26、可选的，函数发生器的输出频率为15.82khz，与石英音叉的固有频率一致。

27、再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；

28、处理器，用于执行一个或多个程序；

29、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。

30、再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、本发明提出了一种利用光学反馈的石英增强光声光谱检测方法，包括：基于函数发生器产生锯齿波信号，使用所述锯齿波信号调制驱动器产生电流信号，通过所述驱动器产生的电流信号，驱动激光器产生激光，基于分光镜将所述激光依次传输至第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，基于第一反射镜和第二反射镜根据激光控制光学反馈的相位；基于第三反射镜将激光折射后依次传输至第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，基于所述第一模式匹配透镜、第二模式匹配透镜和第三模式匹配透镜，根据折射的激光，对激光器与f-p腔的腔膜大小进行匹配；将经第三模式匹配透镜后的激光依次传输至二分之一波片和偏振片，基于所述二分之一波片和偏振片，控制激光光学反馈的反馈率，以根据光学反馈的相位，建立激光的稳定光学反馈；将经过偏振片的激光传输至第四反射镜，将折射后的激光经caf2窗口镜折射进入与激光器匹配的f-p腔，将经过f-p腔的激光从第一谐振管、第二谐振管以及石英音叉的叉臂中间穿过，以基于稳定光学反馈，生成光声信号，并基于第一谐振管和第二谐振管增强光声信号，基于增强的光声信号检测光谱。本发明提升了检测的抗干扰性。