[发明专利]基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法。

背景技术

随着人类社会的进步，工业以及农业的精细控制受到越来越多的关注，精细控制可以降低生产成本，减少环源污染，提高农产品的产量和质量。而气体监测是精细控制的重要环节。比如在对燃煤锅炉的废气进行脱硝过程需要实时监测氨气的浓度，从而控制氨或者尿素的量，避免产生脱硝不完全或者二次污染的危险；在煤层气甲烷化的过程中，需要对硫化氢进行实时监测，如果脱硫不完全，将会对使用用户造成致命伤害；在精细控制的大棚蔬菜种植中，对二氧化碳进行实时监测并控制其浓度，可以有效的提高植物的光合作用效率，提升农作物品质和产量。同时气体污染物的监测有利于我们对污染来源和成分的分析以及进一步的环境治理。对人类呼出气体的监测还可以进行病理学诊断。所以气体的高灵敏监测可以推进社会的发展。

当今的气体监测方法主要分为两种。一种是传统的化学检测方法，这种方法往往需要对样品进行采样、分离，不仅操作复杂，而且检测灵敏度低。另一种方法是新型的激光光谱技术。激光光谱监测方法是基于不同分子对应不同的吸收波长，根据光强的衰减比例反推气体浓度的，它可以实现对气体的实时在线，高灵敏，非侵入式的检测。激光光谱检测方法已经得到世界的广泛认同，并且在近二十年从实验室阶段走向实际应用中。

直接吸收光谱技术是最早提出的激光光谱技术。它的原理非常简单，可以用比尔朗博定律表示：当光强为I_o的入射光通过吸收气体时，光强会衰减，在透射端探测到的透射光强I_t可表示为：

I_t＝I_oe^-α(1)

其中，α表示吸收系数，可以表示为：

其中，c是被测气体浓度，S为对应分子的吸收线强度，P为气体压强，L为吸收光程，为吸收线型，气压为标准大气压时常用洛伦兹线型表示。直接吸收调制光谱技术可小型化集成化的装置非常适合于应用。但是它的灵敏度比较低，探测极限Δα一般只能达到1×10^-3。为了提高激光光谱技术的灵敏度，往往通过两个手段：一个是增长光程，增加气体的吸收路径，基于此人们提出了多通道池技术，腔衰荡吸收光谱技术，腔增强吸收光谱技术；另一种方法是使用调制技术，将吸收信息的频率从直流调制到高频，通过解调来降低低频的噪声，基于此人们提出了波长调制光谱技术，频率调制光谱技术。上面这些手段可以有效提高探测灵敏度，然而增加了系统的复杂程度，同时对装置的高稳定要求也限制这些技术不能用于环境恶劣的工业控制中。所以目前，直接吸收光谱技术还是应用最广泛的激光光谱技术。

而直接吸收光谱技术的探测灵敏度不高，噪声的很大一部分来源是由于激光器的功率起伏噪声，如果可以有效的抑制功率噪声，并且使用其他信号处理的手段提高信噪比，可以使得探测极限降低，达到波长调制光谱技术的水平，甚至更低。

发明内容

本发明为解决目前直接吸收光谱技术因为激光器的功率起伏噪声导致探测灵敏度不高的技术问题，提供一种基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置及方法。

本发明所述的基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置是采用以下技术方案实现的：一种基于偏振旋转器的功率稳定快速扫描吸收光谱装置，包括函数发生器及分布式反馈激光器，函数发生器信号输出端与分布式反馈激光器的电压控制端口相连接；分布式反馈激光器的出射光路上顺次设有起偏器、偏振旋转器、检偏器以及设有两个出射端口的分束器；所述分束器的一个出射端口的出射光路上顺次设有第一准直镜和第一光电探测器；第一光电探测器的信号输出端连接有比例积分微分控制器，比例积分微分控制器的信号输出端与偏振旋转器的电压控制端口相连接；所述分束器的另一个出射端口的出射光路上设有吸收光谱检测单元。

图1为本发明所述装置的结构示意图。通过改变激光的偏振态来改变检偏器后的光强是光功率稳定的有效手段之一。当一束初始光强为I_a的线偏光通过检偏器时，透射光光强I_b可以表示为：

I_b＝I_acos²(α)(3)