(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201410787501.9
(22)申请日 2014.12.17
G01N 21/39(2006.01)
(71)申请人中国科学院长春光学精密机械与物
理研究所
地址130033 吉林省长春市东南湖大路
3888号
(72)发明人朱小明 王晓东 颜昌翔 李丙玉
(74)专利代理机构长春菁华专利商标代理事务
所 22210
代理人
张伟
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种提高腔体谐振衰荡测量精
激光器，通过调整驱动电流和温度使其工作在目
标波长，并使用波长监测器锁定；步骤二、激光光
束经起偏器转换为S 线偏振光；步骤三、S 线偏振
在腔内谐振累积能量；步骤四、使用探测器接收
谐振腔出射光，当光强达到设定上阈值时，关闭半
导体激光器，开始衰荡过程；步骤五、当探测器接
收到的能量达到设定的下阈值，认为衰荡过程结
束，记录由上阈值到下阈值之间的衰荡时间，通过
朗伯比尔定律计算气体浓度。本发明可以剔除P
光分量对衰荡的影响，提高测量精度。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书2页 附图1页
(10)申请公布号CN 104515750 A (43)申请公布日2015.04.15
C N 104515750
A
1.一种提高腔体谐振衰荡测量精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、开启连续波长激光器，通过调整驱动电流和温度使其工作在目标波长，并使用波长监测器锁定；
步骤二、激光光束经起偏器转换为S线偏振光；
步骤三、S线偏振光经过准直镜和模式匹配镜入射到谐振腔内，并在腔内谐振累积能量。
2.如权利要求1所述的提高腔体谐振衰荡测量精度的方法，其特征在于，在步骤三之后还包括：
步骤四、使用探测器接收谐振腔出射光，当光强达到设定上阈值时，关闭半导体激光器，开始衰荡过程。
3.如权利要求2所述的提高腔体谐振衰荡测量精度的方法，其特征在于，在步骤四之后还包括：
步骤五、当探测器接收到的能量达到设定的下阈值，认为衰荡过程结束，记录由上阈值到下阈值之间的衰荡时间，通过朗伯比尔定律计算气体浓度。
一种提高腔体谐振衰荡测量精度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及痕量气体浓度测量领域，具体是涉及一种提高腔体谐振衰荡测量精度的方法。
背景技术
[0002] 腔体衰荡光谱(CRDS，Cavity Ring-down Spectrum)是近二三十年发展起来的一种痕量气体浓度探测技术，通过选择测量气体特征吸收峰，其选择性吸收特性配合长光程衰荡来精确测量痕量气体含量，一般能达到ppm或ppb量级(与气体的吸收峰强度和衰荡
距离相关)。目前该技术广泛应用于CH
4，N
2
O，CO,CO
2
，HF等气体浓度的测量，在测量这些气
体同位素含量领域也有广泛应用。
[0003] 腔体衰荡光谱的一项核心技术高反射率谐振腔，而构成谐振腔的关键是高反射率反射镜，一般反射率要求在99.99％或更高，高反射率的意义有两点：其一，开启激光器时 获得更高的腔内能量累计；其二，更小的镜面反射损耗，获得更长的衰荡长度。在三面反射镜的反射率均为99.999％时，当腔长为0.5m时，光强衰减为初始光强的0.3时，反射次数为40000，衰荡经过的距离为20km。而当反射率为99.99％,，衰荡5000次时，相对光强已降到0.2。由此可以看出反射率在CRDS测量方法中的重要性。
[0004] 目前使用的谐振腔多为两镜腔和三镜腔。两镜腔中，其中一面反射镜后既要安装精密驱动装置又要流出出射光线通路，安装和调试多有不便。三镜腔结构中，两个平面高反射镜一个用于光线入射，另一个用于光线出射，球面镜后安装驱动装置，结构大为简化，因此应用非常广泛。但三镜腔有一个缺陷是自然光的P分量和S分量反射率随入射角度变化不一致，P光反射率衰减很快，而S光反射率衰减非常小。而从之前介绍中可以看出反射率的高低直接影响了衰荡长度，从而影响测量精度。
[0005] 目前使用最广泛的获得高反射率的方法是镀膜，根据使用波长和镀膜材料，通过控制膜厚和镀膜
层数达到设定的反射率。多层膜反射镜有其特点，在倾斜入射时P光和S 光分量会随入射角度和波长变化，附图1给出了45度入射时，系统中使用的29层TiO
2
和
SiO
2
高反膜P光和S光反射率与波长的关系。当使用波长在1450nm–1620nm区间内时，S 光反射率保持在99.99％以上，而P光反射率却不超过36％，且剧烈波动，最低时更是趋近于0。如果使用P光和S光共同的能量值来测量衰荡时间，由于P光的迅速损耗，造成能量的非指数衰减，导致测量精度下降。
发明内容
[0006] 本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种提高腔体谐振衰荡测量精度的方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0008] 一种提高腔体谐振衰荡测量精度的方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一、开启连续波长激光器，通过调整驱动电流和温度使其工作在目标波长，并
使用波长监测器锁定；
[0010] 步骤二、激光光束经起偏器转换为S线偏振光；
[0011] 步骤三、S线偏振光经过准直镜和模式匹配镜入射到谐振腔内，并在腔内谐振累积能量；
[0012] 步骤四、使用探测器接收谐振腔出射光，当光强达到设定上阈值时，关闭半导体激光器，开始衰荡过程；
[0013] 步骤五、当探测器接收到的能量达到设定的下阈值，认为衰荡过程结束，记录由上阈值到下阈值之间的衰荡时间，通过朗伯比尔定律计算气体浓度。
[0014] 本发明具有以下的有益效果：
[0015] 本发明的提高腔体谐振衰荡测量精度的方法，采用反射率为99.999％(正入射)的两面平面镜和一面球面镜，组成高锐度反射谐振腔。多镜式谐振腔具有结构简单，利于安装驱动组件和布置光路；光源
采用窄线宽半导体激光器，通过驱动电流和温度调节，使用波长监测器监测调节过程，使波长锁定在目标波长。
附图说明
[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0017] 图1为45度入射时，系统中使用的29层TiO2和SiO2高反膜P光和S光反射率与波长的关系示意图。
[0018] 图2为本发明的提高腔体谐振衰荡测量精度的方法一种具体实施方式的示意图。[0019] 图中的附图标记表示为：
[0020] 1-半导体激光器；2-起偏器；3-准直镜；4-模式匹配镜；5-高反射率平面镜；6-高反射率平面镜；7-球面镜和驱动装置；8-探测器。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0022] 如图2所示，本发明的提高腔体谐振衰荡测量精度的方法包括以下步骤：[0023] 开启半导体激光器1，通过调整驱动电流和温度使其工作在目标波长，并使用波长监测器锁定。
[0024] 经起偏器2转换为与平面镜表面垂直的S线偏振光。
[0025] 经准直镜3准直和模式匹配镜4匹配形状后，入射到由高反射率平面镜5、高反射率平面镜6、球面镜和驱动装置7组成的谐振腔内，并累积能量。
[0026] 谐振腔出射能量通过探测器8采集，当能量达到设定上阈值时，关闭激光器，衰荡过程开始。
[0027] 能量在谐振腔内开始衰荡，直到探测器8上接收的能量达到下阈值，认为衰荡过程结束，记录由上阈值到下阈值之间的衰荡时间，通过朗伯比尔定律计算气体浓度。[0028] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
图1
图2
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