CN106483069A - 基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及痕量气体监测领域，尤其涉及基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置。激光器输出一束经波长调制的激光，耦合进入光学谐振腔，光学谐振腔是一个两端装有高反射凹面镜的直腔，腔上开有进气口和出气口，激光在腔内经多次反射后产生谐振，并输出稳定的激光束到激光检测器；光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间，防止激光反射回激光器；当激光检测器检测到激光输出功率超过一定阈值后，由信号处理与控制模块通过电流调制关断激光器，通过检测关断激光器后，光学谐振腔输出激光衰减到设定的阈值下限的时间间隔来反求腔内气体的浓度；温控模块负责控制光学谐振腔在特定的温度，并对腔长进行调节。

Description

基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置

技术领域

本发明涉及痕量气体监测领域，尤其涉及基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置。

背景技术

腔衰荡技术作为一种可行的痕量气体在线监测手段，是基于无源腔腔内吸收光谱发展起来的高分辨率、高精度吸收光谱技术，它主要通过测量光在高反射腔中的衰荡时间来获得腔内介质的吸收系数。腔衰荡技术与腔内吸收、长程吸收光谱技术的区别是其不关注光在腔内反射次数的多少，而关注光在腔内的衰荡时间，是一个强度的比值，避开了激光光强的涨落幅度对测量的影响，因而测量的精度大大提高。

衰荡腔两端为两面高反射镜片。当一激光脉冲注入到腔长为

上述过程中注入衰荡腔的是相干长度非常短的脉冲激光，在谐振腔往返过程中不发生干涉效应。然而在脉冲光腔衰荡光谱实验中，由于脉冲激光线宽一般较宽，因此会引起谐振腔多模振荡，而由于各模式间的拍频，会导致衰减信号的多e指数效应(已为实验所证实)，最终降低检测灵敏度，为了提高探测灵敏度，后来发展出了连续波光腔衰荡技术。

采用连续波激光后，不仅该类激光器的线宽相对很窄（<2MHz），而且在近红外波段还可以采用紧凑、价格低、低功耗及无需制冷的半导体激光二极管作为光源，可将测量系统的体积和成本进一步减少，使得该系统在便携式光谱测量以及远程痕量气体检测等应用领域的推广成为现实。在采用连续波激光源后，由于注入谐振腔的是一束连续激光，因此在腔内将形成复杂的干涉效应，激光如何有效耦合进入光学谐振腔涉及到模式理论，包括谐振条件、纵模、横模、模式匹配等内容。

（ 1 ）、谐振条件

对于均匀平面波在平行平面腔中往返传播的情形，当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生干涉，多次往复反射时就会发生多光束干涉，为了能在腔内形成稳定振荡，要求波能因为干涉而得到加强。由干涉理论知道，发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来的位置时，应与初发波同

中，其光强随时间e指数衰减，由于腔内存在对激光有吸收的待测气体通过测量激光的衰荡时间τ可以反演出气体的吸收系数，从而得到待测气体的浓度值。

上述过程中注入衰荡腔的是相干长度非常短的脉冲激光，在谐振腔往返过程中不发生干涉效应。然而在脉冲光腔衰荡光谱实验中，由于脉冲激光线宽一般较宽，因此会引起谐振腔多模振荡，而由于各模式间的拍频，会导致衰减信号的多e指数效应(已为实验所证实)，最终降低检测灵敏度，为了提高探测灵敏度，后来发展出了连续波光腔衰荡技术。

采用连续波激光后，不仅该类激光器的线宽相对很窄（<2MHz），而且在近红外波段还可以采用紧凑、价格低、低功耗及无需制冷的半导体激光二极管作为光源，可将测量系统的体积和成本进一步减少，使得该系统在便携式光谱测量以及远程痕量气体检测等应用领域的推广成为现实。在采用连续波激光源后，由于注入谐振腔的是一束连续激光，因此在腔内将形成复杂的干涉效应，激光如何有效耦合进入光学谐振腔涉及到模式理论，包括谐振条件、纵模、横模、模式匹配等内容。

平行平面腔中，频率满足公式（5）的平面驻波场称为腔的本征模式，其特点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由值q决定，通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模，q称纵模序数，不同的q值相应于不同的纵模，对应不同的频率，两个共振频率之间通常称为自由光谱范围。

（ 3 ）、横模

纵模是光波在腔内多次往返传输形成的纵向稳定场分布，而横模的形成也与光波在腔内多次往返传输过程有关。由于谐振腔反射镜几何尺寸是有限的，当光波在两镜间往返传输时必然会因镜边缘的衍射效应而产生损耗，在决定腔内激光振荡稳定横向场分布的形成时，衍射将起主要作用。由此可以看出，纵模一般只与入射光的波长和谐振腔的腔长有关，而横模与光波传输过程中腔镜的衍射效应有关，入射光的波长对其影响很小。

（ 4 ）、模式匹配

模式匹配是指入射激光束进入光学腔中，其束腰和曲率半径与光学腔基模TEMmn的束腰和曲率半径相等。在模式匹配的情况下，一个入射的单模高斯光束只能激发系统一个相应的单模，只有频率和腔模式发生谐振的光才能耦合进衰荡腔，这样光强能够在腔中积聚，达到最大循环功率。

对于连续波激光的模式匹配存在模式耦合与频率匹配两方面的问题。当激光的能量不能转入相应的无源腔系统模时（即模式失配），将发生模式转换，在无源腔内激发起多阶横模。引起模式失配的原因有很多，可将它们归结于两类：腔镜失配（光束半径失配和波前曲率失配等）和腔镜失调（入射光轴与无源腔光轴间的平移及倾斜等）。

除模式耦合外，激光还需与光学谐振腔达到频率匹配，也就是在频率上满足谐振条件。由于加工工艺等原因，如不采取措施，两者很难实现频率匹配，这将使得腔衰荡法测量无法进行。

调谐激光中心频率或者调节无源腔腔长以此来改变腔纵模的位置，是目前实现窄谱线激光与无源腔频率匹配的常用方式。

发明内容

发明的目的：为了提供一种效果更好的基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。

为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：

基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置，其特征在于，装置包括激光器，激光器连接光隔离器；光学隔离器旁边为光学谐振腔，光学谐振腔包含温控模块，还包含位于光学谐振腔一侧的激光检测器，以上各部件连接信号处理与控制模块；激光器输出一束经波长调制的激光，耦合进入光学谐振腔，光学谐振腔是一个两端装有高反射凹面镜的直腔，腔上开有进气口和出气口，激光在腔内经多次反射后产生谐振，并输出稳定的激光束到激光检测器；光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间，防止激光反射回激光器；当激光检测器检测到激光输出功率超过一定阈值后，由信号处理与控制模块通过电流调制关断激光器，通过检测关断激光器后，光学谐振腔输出激光衰减到设定的阈值下限的时间间隔来反求腔内气体的浓度；温控模块负责控制光学谐振腔在特定的温度，并对腔长进行调节。

本发明进一步技术方案在于，所述温度模块作用如下，先利用谐振腔的热胀冷缩效应，先用温度对有效腔长进行调整，已达到纵模初步匹配的目的，然后利用温控技术将谐振腔的温度控制在目标特定值，最后再用激光波长调制技术已达到激光源与谐振腔的高度匹配。

采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：区别于一般腔衰荡技术的气体分析装置，本装置通过综合应用激光波长调制、光学谐振腔解构设计和温控腔长调节来进行激光器与谐振腔的模式匹配，取消了声光开关和PZT的腔长调制部分，简化了结构，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为整个设备设计基本框架；

图2为激光器驱动设计总体框图；

图3为恒流电路原理图；

图4为峰值信号检测过程；

图5为PID方程；

图6为PID控制原理图；

图7为原始衰荡曲线；

图8为对数变换后数据拟合结果；

图9为不同反射率下的光强透射特性。

具体实施方式

下面结合图1-图9对本发明的实施例进行说明，实施例不构成对本发明的限制：

半导体激光器具有体积小、单色性好、能耗低、工作寿命长等优点，在科研、军事、工业等领域得到了日益广泛的应用。半导体激光器以电流注入作为激励方式，其工作特性及使用寿命在很大程度上取决于所用驱动电源性能的好坏。同时，激光器的输出直接与注入电流和管芯温度相关。因此，为获得高质量的输出光束，实现对激光器的波长调制，需要对半导体激光器实现严格的电流和温度控制。另外，半导体激光二极管的PN结比较脆弱，稍有电压冲击，就有可能影响激光二极管的输出光功率或光束质量，甚至造成永久性的破坏，因此除了对半导体激光器的管芯实现严格的控温和控流外，还要对其采取一些必要的保护措施，避免误操作或意外因素对其造成损坏。

腔模式匹配技术研究

根据模式理论和光学谐振腔的特点，在进行腔衰荡技术实现时，必须考虑光源与光腔的模式匹配，包括横模匹配与纵模匹配，即模式耦合与频率匹配。当激光光源与光学谐振腔的模式不匹配时，光无法耦合进光腔中，这样出射光信号会极弱，将严重影响衰荡时间的测量。因此必须对腔模式的匹配原理进行深入研究，为基于腔衰荡技术的痕量气体分析的实现打下坚实基础。

对于横模匹配主要采用准直镜减小激光入射光斑，并利用十字成像等方法将两块高反射镜片调成平行并与入射轴垂直。对于纵模匹配，当前主要采用在一面高反射镜上安装PZT压电陶瓷的办法解决，利用压电陶瓷的周期震荡，使腔长产生周期性变化，即对腔长进行周期性扫描来达到纵模匹配的目的。

本项目创造性的提出先利用谐振腔的热胀冷缩效应，先用温度对有效腔长进行调整，已达到纵模初步匹配的目的，然后利用高精度温控技术将谐振腔的温度控制在特定值，最后再用激光波长调制技术已达到激光源与谐振腔的高度匹配。

高稳定性的半导体激光器驱动和保护是系统正常、有效运转的基础。半导体激光器的驱动技术通常采用恒流驱动方式，在此工作方式下，通过负反馈原理控制回路，直接提供驱动电流的有效控制。此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器，因此驱动电路中还应考虑特殊的抗电冲击措施和保护电路。

本项目设计的半导体激光器驱动调制电路由五大部分组成，包括恒流电路、软启动、限流保护、调制信号产生电路、温度控制电路。恒流电路产生高稳定度驱动电流。软启动的作用是消除电路中可能存在的浪涌，防止浪涌对激光器的危害。为避免由于过流等因素引起半导体激光器不可恢复的损坏，则在驱动电路中加入限流保护。调制信号产生电路实现调制和频率可调。温度控制主要是实现激光器温度的精密控制，保证激光器工作的稳定性。如图2所示。

恒流电路采用电压负反馈调整电路来实现恒定电流，电路的工作原理见图3。首先由基准电路产生一个高精度高稳定的电压基准，当输入电压增大或负载变化使得输出电流发生变化时，取样电路将获取一定比例的输出电压误差信息，然后将其与电压基准比较后，误差放大电路把放大了的误差信号施加到调整电路调整输出电流，从而形成一个深度负反馈的闭环系统，实现对输出的调节，达到稳定电流的目的。

电流调制信号通过FPGA 的DDS功能实现，利用一片 FPGA 芯片即可完成信号源的信号产生及其控制。同时只要改变波形存储器中的 ROM 数据，就可以产生任意波形。本方案以 FPGA 为核心，采用一个高精度16位数模转换器（DAC），通过改变 DDS系统中的ROM存储数据，可以产生低频三角波调制信号。

温度控制主要采用WTC3243模块实现，该模块是一个超高精度的激光二极管温度控制器，采用PI闭环控制，可以方便的集成到设计的PCB板中，可以控制半导体激光器中制冷器的输入电流，以达到精确温度控制的目的。

本项目通过综合应用激光波长调制、光学谐振腔解构设计和温控腔长调节等方法巧妙的解决了频率模式匹配问题，替代了昂贵的声光开关和复杂的PZT腔长调制结构。

激光光源与光学衰荡腔的模式匹配问题

根据多光束干涉理论，激光在腔内多次反射时，如果腔长和激光的波长不能匹配，将会因为干涉导致腔内激光能量削弱，即激光器的激光不能有效耦合进入光学谐振腔。因此激光光源波长与光学谐振腔的模式匹配问题必须解决。通常的做法是在一块高反射镜片安装PZT晶振陶瓷，通过激发PZT按照一定频率振动来进行腔长扫描，从而达到激光波长与腔长匹配的目的。在高反镜上安装PZT需要保证PZT不阻挡激光的入射和出射，同时还要保证PZT在振动时不会因为使镜片倾斜等导致光学谐振腔的横模失调，因此使用PZT调腔大大增加了光学谐振腔的安装和调腔难度。

由于单一采用激光波长调制方法时，半导体激光器的波长调制范围有限，一般在十几nm，而用于气体测量激光器一般为近红外波段，波长在700nm以上，因此如果有效腔长和匹配的纵模共振点距离相差几百nm时，通过波长调制将无法完成频率模式匹配。光学谐振腔的安装无法使有效腔长误差控制在几十nm之间，因此单一采用激光波长调制方法无法达到目的。

采用普通石英玻璃作为腔体材料（也可以采用其他具有合适热胀冷缩系数的材料作为腔体材料），当腔长超过30cm时，如果温度变化超过20摄氏度时，腔长变化将超过2000nm。当单一采用激光波长调制方法无法达到频率模式匹配时，通过温度控制模块不断改变腔体的温度设置来改变腔长，直到使用激光波长调制方法能达到频率模式匹配为止，将此时的温度设定为腔体温度，腔体温度一般控制在40至60摄氏度。通过温度控制不仅可以解决激光光源与光学谐振腔的频率模式匹配问题，还可以避免外界温度变化对腔内气体吸收率的影响。

本项目设计实现的基于腔衰荡技术的痕量在线气体分析设备在进行模式初步匹配后，还需要利用激光波长扫描进行高精度频率匹配。在进行激光波长扫描时，激光检测器检测到的信号随着匹配程度变化，匹配度越高，信号输出越大。在大量文献调研中发现目前的基于腔衰荡技术的分析设备只是简单设定一个阈值，当检测到信号超过某一阈值时，关断激光源。但腔内气体对激光的吸收强度与气体浓度相关，特别是在痕量气体分析中，气体浓度的ppb级变化也会对测量产生影响，而ppb级的浓度变化会在微妙级的时间内发生，因此简单的设定一个阈值可能不能达到理想的检测状态。因此根据腔衰荡技术的检测原理，需要快速检测出该峰值信号，以便进行快速的激光切断。

与一般的峰值信号检测技术不同，本项目中的峰值信号检测不仅需要极快的速度，还需要能够消除电源干扰、外界电磁干扰等引起的噪声峰值信号。因此，本项目中不仅设计了峰值信号检测方法，还提出了抗干扰措施。

在峰值检测模式下，ADC 以尽可能高的采样率进行采样，这样可以捕捉更窄的毛刺信号。该项目中把在峰值检测模式下ADC 的采样率设为800 M，相当于峰值检测的速率为800MS/s。由于ADC 转换后的数据速度很快，FPGA 难以处理，因此首先利用FPGA内部的差分接收机把这些数据做串并转换，使得数据位变为64位，相当于 8 个8 位的数据，这样就把速度降下来了。当 ADC 的采样率为800M时，经过降速后时钟速度变为100 MS/s。然后从8个8位数据中选出最大值和最小值，分别与上次的最大值和最小值做比较，最大值比上次的大就保留下来，否则保持不变；最小值比上次的小就保留下来，否则也保持不变。当比较次数达到设定的值后，把最终的最大值和最小值输出。设定的比较次数可以用于控制检测的峰值信号脉宽。通过这一方法大大提高了FPGA处理ADC转换后的处理速度，信号检测过程如图 4所示。

另外，由于激光波长扫描是由一个定周期信号调制而来，检测的峰值信号在每个周期中只有一个需要的峰值，且信号宽度基本一致，根据这一特征，可以判断检测到的信号是否为需要的峰值信号，从而避免干扰峰的影响。

谐振腔高精度温控问题

谐振腔的温度控制是是保证纵模匹配的关键，也整个系统正常工作的关键之一。由于光学谐振腔的体积较大，一般在长度在30cm左右，不适用于用加热片加热，因此项目中选择了直径0.4mm的加热丝进行加热，即在光学谐振腔外缠绕加热丝，外侧再用保温材料封装，内部封装热敏电阻，用于测温。

PID控制方法是一种经典的工业控制方法，这里用来对光学谐振腔实现精确的温度控制，基本原理如图6所示：PID控制是对误差信号（e(r)=r(t)-e(t)）进行比例、积分、微分运算，在由比例微分(PD)控制系统中，可以减小过冲，但却消除不了稳态误差，而增加一个积分项就可以消除稳态误差。PID方程为图5所

为了避免电磁干扰，项目中未采用常用的脉宽调制方法控制加热，而是采用恒电流加热，通过控制电流的微小变化来控制温度变化。因此这里电流大小作为控制量，温度作为被控对象，设定的温度值作为控制目标，检测到的温度作为反馈量。通过不断的调整PID算法中的三个参数值，最终使系统达到稳定，并实现了0.1度的温控精度。

衰荡信号优化提取问题

衰荡信号优化提取问题是腔衰荡技术研究中的一个重要问题。因为对不同浓度气体的检测中会得到不同的信号淹没点，而在气体连续在线监测中，被测气体浓度不可避免的不断变化，因此信号淹没点也在不断变化。在数据拟合中，如何选取有效光信号与噪声信号分界点是要解决的问题之一。

针对项目中建立的硫化氢分析系统，将系统置于高纯氮环境下，进行测试实验，检测得到32组数据，求平均后进行对数变换，然后进行数据拟合。结合图7和图8；

由于实验在高纯氮环境下进行，从图中可以看信号淹没点附近的数据将对结果造成不利影响。在痕量气体连续在线监测过程中，无法获取多组数据，信号淹没点附近的数据将对检测结果产生较大影响，可能会产生较大误差，因此在有效光信号与噪声信号分界点的选择过程中要确保足够的余量。在项目中我们选取一个下线作为有效光信号与噪声信号分界点。根据实验结果，我们选取激光关断时信号强度的15%作为有效光信号与噪声信号分界点。

光学谐振腔中的平凹高反射镜是光学谐振腔的关键部件，其技术参数决定了整个设备的检测性能，特别是其高反射性能是腔衰荡气体分析的重要保证。然而，高反射镜的反射率参数也是其价格的决定性因素，通过研究腔镜反射率对信号衰荡结果的影响，为项目中高反射镜选型提供指导，以达到在设备成本与仪器性能之间取得最优平衡，为项目的产业化奠定基础。

光进入到衰荡腔中，会在两个腔镜之间来回反射，同时透射部分光强，当入口反射镜通过谐振状态时，随着腔镜反射率的不同腔的透射特性会发生变化。图9是在项目实验平台上获得的表示不同腔镜反射率下的光强透射特性曲线。当入射光与腔模式谐振时，激光被注入到衰荡腔中，设在 t = 0时刻腔内光强达到最大值，然后切断激光，腔内光强开始逐渐衰减。从图中可以看出，随着腔镜反射率的增大，腔内光强积聚和衰减的强度逐渐减小。这是因为腔镜反射率越大，腔的精细度就越高，腔模线宽越窄，上升和衰荡时间都随之减小。

另外，图9还显示了在一定腔镜速度和反射率下的多振幅振荡过程。虽然由于光在腔内每往返一次，由于腔镜透射作用光子数量会减少，但在光源没被切断的情况下，光子仍然可以继续注入到衰荡腔中。如果保持腔中损耗不变，增大腔镜反射率，那么透射率会相应减小。这会增大腔内的光子数，因此相长和相消干涉的强度都会增强。这一特性通过随R的增大振荡幅度增强而反映出来。随着相消干涉的作用，光子离开衰荡腔，光子数量会逐渐减少。

根据实验结果和成本的综合考虑，项目中确定了高反射镜的反射率需在99.9%以上，这即可保障一定的成本优势，也可以保证相当的检测性能。

作为优选：在进行激光调制驱动设计时，激光频率扫描速度不能太高。同时，当扫描频率低于100Hz/s时，腔内相对光强增加不明显，衰荡时间变化也不明显。因此综合考虑，项目选择100Hz/s作为激光频率扫描速度，该速度即保证了腔内光强强度，同时也保证了检测速度。

作为对比：本项目中的方法：

（1）不对光学谐振腔内进行改装，安装简单

（2）使用中不会对高反射镜产生影响，不会引起横模变化，可靠性高

（3）通过温控可以避免外界温度的影响。

传统方法：

（1）要在一片高反射镜上安装PZT压电陶瓷，且不能影响入射光入射，振动时还必须保证镜片的纵向垂直，安装难度大，可靠性低；

（2）外界温度变化对光腔谐振会产生影响。

当前，常见的大气痕量污染气体检测手段有基于差分的开放光路痕量气体分析、基于长光程气体吸收池的分析设备、分光光谱类仪器等，这些仪器都存在这样那样问题，不利于在大气环境监测中的广泛使用。例如，基于开放光路的痕量气体分析装置，由于实现了上千米的气体吸收光程，可达到很低的检测下限，正因为如此长开放光程的实现导致安装维护要求极高，且难以实现便携，因此大范围推广使用难度很大。基于长光程气体吸收池的分析设备使用方便，但该类仪器基于直接吸收光谱技术，且气体吸收池能实现的有效吸收光程仍然有限，一般为几十米，因此能达到的检测下限仍然较高，不能满足部分痕量物质分析监测。分光光谱类仪器的主要优势是可同时分析多种物质，但各组分气体间易产生干扰，一般需要进行预处理以排除物质干扰，不适合作为大气痕量气体在线分析装置进行推广。

基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析仪应用广泛，其中一个主要应用是对大气中的痕量污染气体进行在线监测，如H2S、氮氧化物等。由于腔衰荡技术是激光在光学谐振腔内经过多次反射形成稳定谐振以后，关断激光器，测量光学谐振腔输出激光能量衰减到设定下限值的时间间隔，这个过程的本质仍是激光吸收光谱技术，但排除了激光光源输出能量变化带来的干扰，同时腔内吸收光程可达几千米，甚至几十千米，可以达到极低的检测限。可以完成大气中极低浓度污染气体的在线监测分析，同时该仪器具有体积小、功耗低、携带使用方便、免校准等优势，可以很好的替代当前的大气痕量污染气体分析设备。

综上所述，将腔衰荡技术引入到大气中痕量污染气体检测可以克服当前集中技术手段的不足，具体见下表所示。

大气痕量气体监测手段比较

技术创新

1 、通过使用检测信号峰值检测法确定激光关断点，提高了系统检测的可靠性

项目设计实现的基于腔衰荡技术的痕量在线气体分析设备在进行模式初步匹配后，还需要利用激光波长扫描进行高精度频率匹配。在进行激光波长扫描时，激光检测器检测到的信号随着匹配程度变化，匹配度越高，信号输出越大。

一般的基于连续波腔衰荡技术的分仪设备在进行腔长调制时，当检测到光学谐振腔输出激光能量达到一定阈值后关断激光光源。阈值的设定在仪器调试时确定，根据一次腔长调制过程中谐振腔中激光输出的最大能量确定，一般按照最大能量的比例确定。该方法在利用腔衰荡技术进行腔镜损耗测量时简单有效，但在进行痕量气体在线分析时存在较大问题。由于腔内气体对激光的吸收强度与气体浓度相关，特别是在痕量气体分析中，气体浓度的ppb级变化也会对测量产生影响，而ppb级的浓度变化会在微妙级的时间内发生，因此简单的设定一个阈值可能不能达到理想的检测状态。在气体浓度较高，吸收较充分时，可能达不到设定的阈值，无法进行较高浓度气体的分析；而当气体浓度很低时，可能造成过早的关断激光光源，导致谐振不充分，影响检测效果。

因此根据腔衰荡技术的检测原理，快速检测出该峰值信号，当检测到峰值信号后进行快速的激光切断，以提高检测效果。由于采用了较低的波长调制速度，因此峰值出现后经过ns级的时间再进行激光关断不会影响测量结果。采用该方法可以有效扩大仪器的检测范围。

项目中对两种方法进行了对比。一般情况下，激光关断阈值的设定首先需要在极低被测气体浓度氛围中测得模式匹配是的最大腔输出能量，一般按照该值的80%至90%的比例设定阈值，在项目的对比中取85%设定阈值。实验中对5组不同浓度的H2S样气进行了检测。标样是项目组采用稀释法配置的痕量气体，浓度约为10ppb、100ppb、400ppb、800ppb，2ppm。

用两种方法检测五种样气分别得到信号衰荡时间单位 us ：

由表中数据可见，采用本项目中的方法将有效增大仪器的检测范围，可以获得更大的检测范围。表中数据呈现出了非线性，主要原因是样气的配置过程较简单，无法精确控制样气浓度，但该实验已经可以充分本项目中方法的有效性。

、根据衰荡信号拟合误差分析，截取了最优检测数据进行计算，提高了检测精度

衰荡时间理论上是单e措数形式，但这只是现想的论模型。事实上，由于激光光源特性、腔的稳定性、干涉作用、激光与光腔的模式匹配等因素的存在，尽管在系统设计中采取了多种措施来避免信号的失真，探测器探测的输出信号仍会在一定程度上偏离单e指数衰减。因此对于检测到的信号需要进行数据拟合，以得到衰荡时间。在对不同浓度气体的检测中会得到不同的信号淹没点，而在气体连续在线监测中，被测气体浓度不可避免的不断变化，因此信号淹没点也在不断变化。以往的研究中没有注意信号淹没点附近的数据对整个数据拟合带来的影响。

通过实验研究发现在信号淹没点附近的数据将对结果造成不利影响。在利用腔衰荡技术进行的腔镜损耗测试和静态气体检测中，可以采用采集多组数据求平均的方法消除这种影响，但在痕量气体连续在线监测过程中，由于无法对同一气体获取多组数据，因此信号淹没点附近的数据将对检测结果产生较大影响，可能会产生较大误差，因此在有效光信号与噪声信号分界点的选择过程中要确保足够的余量。因此，本项目中舍弃检测到数据的后10%，相比采用全部数据，该方法可以有效提高测量的重复性。

项目组对同一样气进行了多次测量，并用两种方法对数据进行拟合以得到检测结果，实验结果如下表所示。

两种数据截取方法得到的数据进行拟合的结果（单位 us ）：

由实验结果可知，采用前90%数据进行拟合相比采用全部数据进行拟合得到的结果，采用前90%数据进行拟合的结果具有更好的测量重复性。

结构创新

通过利用 DFB 激光器 ns 级的激光关断方法，舍弃了昂贵的声光调制器，简化了结构、降低了成本

在连续波腔衰荡技术实现中，在检测到激光输出峰值信号后，需要快速关断入射激光。传统的连续波腔衰荡技术都采用声光调制器完成入射激光的关断。声光调制器(AOM)就是利用改变声波频率的方法使工作于布拉格条件的光束发生偏转，一般由压电陶瓷、透明介质、激光出入射系统构成。当换能器加上高频电压时，换能器的振动会在介质中产生超声波，当超声波穿过固体介质时，介质分子电偶极矩发生变化，从而使介质的折射率发生周期性变化，形成折射率光栅，即超声光栅。光束通过这种光栅将发生衍射，从而达到光线偏转的效果。当前这种声光调制器普遍存在可靠性低、价格昂贵等缺点，而且采用声光调制器增加了系统结构复杂度和电路设计复杂度，降低可靠性。

在本项目中，选用DFB激光器作为光源，由于 DFB 激光器的输出功率与其注入电流密切相关，因此可通过电流调制来实现激光的开关。目前，通讯领域中要求光源调制速度达数 GHz，甚至数十 GHz，因此 DFB 激光器的 ns级关断相当容易。这种特殊的光开关方式，可以通过对电信号的高速调制来实现光的高速开关，从而节省昂贵的电光或声光开关，并完全消除常规系统中光开关器件对系统可能造成的影响。

采用两种方法进行仪器设计的比较如下。

本项目中的方法：

（1）无声光开关，成本低、可靠性高

（2）无声光开关，结构相对简单

（3）激光开关驱动集成在激光驱动中，实现简单。

传统方法：

（1）采用声光开关，成本高昂、可靠性低

（2）采用声光开关，结构相对复杂

（3）声光开关需要单独的驱动电路，实现相对复杂

作为优选， 本专利完成后，达到指标如下：

开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。

以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以是一种检测方法。

需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (2)

1.基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置，其特征在于，装置包括激光器，激光器连接光隔离器；光学隔离器旁边为光学谐振腔，光学谐振腔包含温控模块，还包含位于光学谐振腔一侧的激光检测器，以上各部件连接信号处理与控制模块；激光器输出一束经波长调制的激光，耦合进入光学谐振腔，光学谐振腔是一个两端装有高反射凹面镜的直腔，腔上开有进气口和出气口，激光在腔内经多次反射后产生谐振，并输出稳定的激光束到激光检测器；光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间，防止激光反射回激光器；当激光检测器检测到激光输出功率超过一定阈值后，由信号处理与控制模块通过电流调制关断激光器，通过检测关断激光器后，光学谐振腔输出激光衰减到设定的阈值下限的时间间隔来反求腔内气体的浓度；温控模块负责控制光学谐振腔在特定的温度，并对腔长进行调节。

2.如权利要求1所述的基于腔衰荡技术的痕量气体在线分析装置，其特征在于，所述温度模块作用如下，先利用谐振腔的热胀冷缩效应，先用温度对有效腔长进行调整，已达到纵模初步匹配的目的，然后利用温控技术将谐振腔的温度控制在目标特定值，最后再用激光波长调制技术已达到激光源与谐振腔的高度匹配。