[发明专利]基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统及方法，其包括量子级联激光器光谱扫描模块、高速频率调制模块、同步模块、气体多返腔和，调频光谱采集模块。在传统的气体检测系统的基础上，使用分布反馈式量子级联激光器，利用中红外激光器产生强度调制的调制光照射脉冲量子级联激光器的出射端面，实现对量子级联激光器全光调制，并通过气体多返腔来完成对气体样本的控制及定量检测，并由高速中红外探测器高速锁相放大器、高速信号采集卡、计算机采集全光调制气体吸收光谱，实现高速、高精度的气体检测。该高速红外调频激光光谱气体检测系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术及痕量气体检测。

主权项

一种基于量子级联激光器的高速红外调频激光光谱气体检测系统，其包括量子级联激光器光谱扫描模块、高速频率调制模块、同步模块、气体多返腔和调频光谱采集模块；其特征在于：所述量子级联激光器光谱扫描模块实现光谱扫描功能，由脉冲电流源(1)和分布反馈式量子级联激光器(2)组成，通过脉冲电流源(1)向分布反馈式量子级联激光器(2)提供脉宽为T_p、重复频率为ω_r矩形电流脉冲序列，在每个电流脉冲内，利用电流在分布反馈式量子级联激光器腔体内产生的持续温度变化，实现对分布反馈式量子级联激光器的输出红外波长扫描，波长扫描范围与脉宽T_p近似成正比；所述高速频率调制模块实现分布反馈式量子级联激光器(2)高速频率调制功能；由高频信号发生器(3)、正弦电流源(4)、可见光或近红外激光光源(5)、光束准直器(6)和光束聚焦器(7)组成；所述高频信号发生器(3)、正弦电流源(4)和可见光或近红外激光光源(5)依次电连接，所述光束准直器(6)和光束聚焦器(7)依次设置在可见光或近红外激光光源(5)的出射光路上，光束聚焦器(7)的汇聚点落在分布反馈式量子级联激光器(2)出射端面；通过高频信号发生器(3)产生重复频率为ω_m高频触发信号，其中ω_m大于ω_r，控制正弦电流源(4)产生频率为ω_m的正弦电流，驱动可见光或近红外激光光源(5)，产生强度按频率为ω_m正弦函数变化的可见光或近红外调制光束，该光束经光束准直器(6)准之后，通过光束聚焦器(7)被汇聚在分布反馈式量子级联激光器(2)出射端面，引起分布反馈式量子级联激光器(2)输出红外光波长以频率ω_m正弦振荡，从而实现分布反馈式量子级联激光器(2)的高速频率调制，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比；所述同步模块实现脉冲电流源(1)的矩形电流脉冲和正弦电流源(4)的正弦电流同步功能，其是由分频器(8)连接高频信号发生器(3)的输出端，分频器(8)的触发信号端连接脉冲电流源(1)；同步模块将高频信号发生器(3)产生的重复频率为ω_m高频正弦信号分成两路输出，一路用于触发可见光或近红外激光器电源，产生强度为同频率正弦变化的可见光或近红外激光输出；另一路通过比较器将正弦信号整形成同频率的方波信号，再将整形后的方波信号分频，变成频率为ω_r的触发信号，并通过稳压电路稳定分频后的方波信号电平，采用该方波信号作为脉冲电流源(1)的触发信号，为分布反馈式量子级联激光器(2)提供脉宽为T_p、重复频率为ω_r矩形电流脉冲序列，即脉冲驱动电流，由此保证分布反馈式量子级联激光器(2)的红外光脉冲与可见光或近红外激光光源(5)输出的正弦调制光束同步，进而实现光谱扫描与频率调制同步；所述气体多返腔作为被检测气体的密封性容器，包括密封腔体(9)、进气口(10)、排气口(11)、真空计(12)、排气泵(13)、入射窗口(14)、出射窗口(15)、第一反射镜(16)和第二反射镜(17)，所述入射窗口(14)和出射窗口(15)左右相对位于密封腔体(9)的两端，第一反射镜(16)和第二反射镜(17)两者相对并上下错开设置在密封腔体(9)内，并分别靠近入射窗口(14)和出射窗口(15)，所述进气口(10)和排气口(11)设置在密封腔体(9)上，真空计(12)安装在密封腔体(9)内，排气泵(13)连接在排气口(11)上；通过排气泵(13)抽气，将被检测气体由进气口(10)引入密封腔体(9)，通过真空计(12)检测气体压力；由经过频率调制的分布反馈式量子级联激光器(2)输出红外光束由入射窗口(14)进入气体多返腔，在平行放置的第一反射镜(16)和第二反射镜(17)之间来回反射数次后，由出射窗口(15)出射；所述调频光谱采集模块实现对气体的调频光谱的采集，由红外聚焦器件(18)、频率带宽为ω_d、且ω_d大于ω_m的高速红外探测器(19)、频率带宽为ω_l、且ω_l大于ω_m高速锁相放大器(20)、高速信号采集卡(21)和计算机(22)组成；所述红外聚焦器件(18)正对出射窗口(15)，并与出射红外光束同轴，其聚焦点落在高速红外探测器(19)的探测面，高速红外探测器(19)、高速锁相放大器(20)、高速信号采集卡(21)和计算机(22)依次电信号连接；由出射窗口(15)出射的红外光束，通过红外聚焦器件(18)汇聚到高速红外探测器(19)上并形成输出信号，该信号被送入高速锁相放大器(20)，高速锁相放大器(20)将该信号中频率为ω_m的信号输出并送入高速信号采集卡(21)，最后通过计算机(22)读取信号采集卡(21)输出信号，得到随时间变换的被检测气体红外调频光谱，调频光谱的峰峰值与被检测气体的浓度成正比。