一种基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置和方法与流程

本发明涉及环境监测、大气物理及遥感探测等领域，具体涉及一种基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置和方法。

背景技术：

稳定同位素分析是温室气体排放源汇在排放通量的贡献估算中重要的分析依据。相对传统的质谱技术和傅立叶变换红外光谱技术，激光光谱技术具有高选择性、高灵敏度、体积小、响应快、可实现在线分析等优点。因气体同位素分子的较强吸收谱线普遍存在于中红外波段，随着半导体激光材料的发展，近年来QCL激光器越来越广泛地应用于气体监测方面。然而外界温度的变化影响半导体激光器中心波长的谱线漂移，是目前激光光谱检测技术中普遍遇到难以克服的器件难题，特别是对于大功率、宽调谐范围的量子级联激光器QCL(Quantum Cascade Laser)，外界温度变化对波长漂移的影响更为明显，为了克服这一困扰，通过信号处理软件反馈控制激光驱动器的电路系统，实现QCL激光器的在线锁频，显著提高了同位素测量系统的稳定性和灵敏度。

技术实现要素：

本发明目的是实现一种基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置和方法，以解决现有的稳定同位素丰度监测装置和方法因外界温度影响引起的灵敏度低、稳定性差等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置，包括激光控制器、QCL激光器、MCT探测器、多功能信号发生器、锁相放大器、光学无源谐振腔、离轴抛物镜、金膜平面镜、真空泵、压力传感器、温度传感器、高速A/D采集卡和信号处理系统。其中，通过激光控制器驱动QCL激光器，设置所需工作电流和温度，QCL出射光束经金膜平面镜调节进入光学无源谐振腔，在腔内形成谐振光路，其透射光经离轴抛物镜汇聚到MCT探测器，信号光电转换后进入锁相放大器对信号进行解调放大，由高速A/D采集卡模数转化后进入信号处理系统，信号处理系统根据根据压力传感器和温度传感器及中心波长峰值位置的偏移，通过串口对多功能信号发生器发送命令，改变扫描信号的直流量微调QCL激光器的驱动电流调节波长，实现在线锁频。

所述的基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置，光源采用中心波长为4.3um室温QCL激光器，用于测量大气中¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁶O¹²C¹⁸O分子的碳和氧同位素丰度。

所述的基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置，光学无源谐振腔基长为25.6cm，两端镜头为双面高度抛光单面镀4±0.5um高反膜的平凹球面镜，直径2.54cm，曲率半径1m，腔体体积0.15L，侧面装有压力、温度传感器，靠近两端头处装有进出气阀用于控制气体进出和谐振腔内压力，腔内压力控制在100mbar。

所述的基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置，所述的多功能信号发生器具有小于100Hz低频扫描信号、大于10KHz高频调制信号和±1V的直流输出，三种信号混合叠加后进入激光控制器，扫描和调制QCL激光器的输出波长，同时根据信号处理系统的反馈信号改变直流输出，从而锁定QCL激光器输出的中心波长。

所述的基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频装置和方法，信号处理系统具有同位素信号反演、QCL激光器波长偏移监控、压力和温度监测、背景扣除、同位素丰度在线定标、压力和波长反馈控制命令的串口通信等功能。

本发明另外提供一种基于室温QCL激光器的同位素探测在线锁频方法，用于室温QCL激光器的在线锁频，应用于痕量气体和大气同位素探测系统，通过激光控制器驱动QCL激光器，设置所需工作电流和温度，QCL出射光束经金膜平面镜调节进入光学无源谐振腔，在腔内形成谐振光路，其透射光经离轴抛物镜汇聚到MCT探测器，信号光电转换后进入锁相放大器对信号进行解调放大，由高速A/D采集卡模数转化后进入信号处理系统，信号处理系统根据根据压力传感器和温度传感器及中心波长峰值位置的偏移，通过串口对多功能信号发生器发送命令，改变扫描信号的直流量微调QCL激光器的驱动电流调节波长，实现在线锁频。

本发明有如下优点：

本装置和方法可以有效实现室温QCL激光器的同位素探测在线锁频，无需增加复杂装置，解决了外界温度变化对QCL激光测量系统的稳定性、精确度和灵敏度影响，极大地提高了仪器检测的有效性，为环境监测提供更精确的数据分析。

附图说明

图1为本发明整体装置结构示意图。

图2为本发明QCL锁频控制流程图。

图3为的大气中CO₂同位素分子吸收光谱模拟图。

具体实施方式

下面结合法附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的整体装置结构示意图如图1所示。激光控制器设置温度和电流调节QCL激光器的工作波长，同时多功能信号发生器将产生的小于100Hz低频扫描信号、大于10KHz高频调制信号和±1V的直流输出，三种信号混合叠加后进入激光控制器，扫描和调制QCL激光器的输出波长；QCL准直光束由金膜平面镜调节入射角度进入光学无源谐振腔内，在腔内形成稳定的驻波分布；多次透射光束经过离轴抛物镜聚焦到MCT探测器，光学积分能量经光电转换进入到锁相放大器，结合多功能信号发生器产生的高频调制参考信号，将探测器获得的光谱信号解调为二次谐波形式，有效降低1/f噪声，提高探测灵敏度；二次谐波信号由信号采集系统完成模数转换进入信号处理系统，采样周期由多功能信号发生器产生的方波时钟控制；信号处理系统将采集到的二次谐波信号做去噪、背景扣除、浓度拟合和卡尔曼滤波等处理，反演出各同位素分子的浓度，同时对比标准值，计算碳和氧同位素丰度。

由于外界温度变化引起QCL激光器的波长漂移，在连续监测过程中，CO₂同位素分子吸收谱线(如附图3所示)间隔仅为0.14cm^-1，波长漂移引起同位素分子吸收二次谐波信号峰值的位移，导致位于两端的¹⁶O¹²C¹⁶O和¹⁶O¹³C¹⁶O同位素分子谱线的不完整，对浓度反演和同位素丰度计算带来严重误差。本发明结合QCL激光器电流-波长的相应关系和信号的采样频率，编写多功能信号放生器的串口控制命令(流程图如附图2所示)，动态调节多功能信号发生器的输出直流量，从而改变激光控制器的设置电流，补偿外界温漂对QCL激光波长的影响和因波长漂移带来的背景畸变，极大地提高了测量稳定性和灵敏度。