[发明专利]用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置及其锁定方法

说明书

本发明公开了一种用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置及其锁定方法。装置包括温度电流控制器(11)、激光器(1)、光纤(2)、待测气体和光电传感器(6)，特别是待测气体位于离轴光学谐振腔(4)中，波长锁定部件(12)含数据采集分析器件(7)、模拟PID器(8)和加法器(10)，以及锯齿波发生器(9)；方法为对激光器采用锯齿波调制和对采集的信号按含完整待测气体吸收峰、等长的数据段进行截取，并将截取的首个数据段与后续增加一个数据点截取的数据段进行线性相关运算，来获取激光器中心波长的漂移信号。它能将激光器输出的频率稳定在特定的吸收峰上，可广泛地用于基于离轴积分腔系统的痕量气体浓度探测和物质化学成分分析。

技术领域

本发明涉及一种激光器的波长锁定装置及锁定方法，尤其是一种用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置及其锁定方法。

背景技术

探测痕量气体浓度在环境监测、大气化学、诊断医学和分子天体物理等领域有着广泛的应用。近年来，随着激光技术的快速发展，吸收光谱技术也得到了迅速的发展；离轴积分腔吸收光谱技术作为吸收光谱技术中的一种高灵敏度、高稳定性的探测技术，可实现低浓度环境下的高精度探测和应用。在实际应用中，基于离轴积分腔吸收光谱技术的离轴积分腔系统通常选择可调谐的半导体激光器作为光源，来达到整机的成本低廉、便于集成和稳定可靠的目的，同时也可实现于几秒内记录和分析完整的吸收光谱曲线。然而，对于半导体激光器来说，其输出的光频率主要取决于注入的电流和工作温度，在实际测量时，尤为长时间连续探测的过程中，激光器的输出光频率极易受到外界环境的变化，如温湿度变化、振动、电磁干扰的影响，而出现中心波长长期漂移的现象，特别是应用离轴积分腔系统来长时间地测量一些浓度较低的气体时，其影响尤为明显。

目前，人们为了稳定半导体激光器的工作频率，作了一些有益的尝试和努力，如中国发明专利申请CN 104655588 A于2015年5月27日公布的本申请人的《基于可调谐激光吸收光谱的频率锁定装置及其锁定方法》。该专利申请中提及的锁定装置包括激光器、光纤、准直光纤、散射光收集透镜、光电探测器、温度电流控制部件和频率稳定部件，其中的频率稳定部件含有依次串接的锁相放大器件、数据采集分析器件、模拟PID器件、运算放大器件和加法器件，以及信号发生器件；锁定方法为采用三角波信号叠加正弦波的调制，并接收含气体吸收信息的散射光信号中上升沿和下降沿产生的两个吸收峰，将两吸收峰之间的距离作为变量值，得出稳频反馈信号来进行波长锁定。这种锁定装置及锁定方法虽可将半导体激光器的工作频率稳定在特定的吸收峰上，但是，对于将待测气体置于光学谐振腔中的离轴积分腔系统而言，却存在着缺憾之处，首先，因离轴积分腔的腔模式噪声大，很难确定真实的两吸收峰的距离值，使得反馈信号存在着较大的误差，致使无法锁定波长；其次，考虑到实际采集和运算处理速度等现实问题，通常会采用锯齿波作为扫描信号，并因此产生具有不对称性的两吸收峰，由此也会出现较大的误差，导致无法锁定波长。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的缺憾之处，提供一种结构简单、实用，输出频率稳定的用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置的锁定方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置包括其输入端与温度电流控制器电连接、输出端与光纤连接的激光器，以及光纤输出光路上的待测气体和光电传感器，特别是：

所述待测气体置于光学谐振腔中，所述光学谐振腔的光轴偏离光纤的输出光路；

所述温度电流控制器与光电传感器间电连接有波长锁定部件，所述波长锁定部件由依次串接的数据采集分析器件、模拟PID器和加法器，以及输出端与加法器电连接的锯齿波发生器组成，用于将激光器的输出频率稳定在特定的吸收峰上。

作为用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置的进一步改进：

优选地，光纤与光学谐振腔间置有可调节聚焦透镜组。