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【发明授权】一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法_中国科学院合肥物质科学研究院_202011503569.1 

申请/专利权人:中国科学院合肥物质科学研究院

申请日:2020-12-18

公开(公告)日:2023-03-14

公开(公告)号:CN112729544B

主分类号:G01J3/10

分类号:G01J3/10

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2023.03.14#授权;2021.05.21#实质审查的生效;2021.04.30#公开

摘要:一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法属于半导体激光器波长锁定技术领域,解决如何实现对半导体激光器输出中心波长的高精度、高可靠锁定的问题;将吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路,一路用于反演目标气体的浓度;另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统,用于激光波长漂移的修正与锁定,不需要增加参考光路,利用检测子系统的光路信号即可完成激光波长漂移的识别与反馈控制,简化了系统结构;利用环境中普遍存在的水汽两条吸收线作为激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的基准,能够有效识别噪声或干扰引起的虚假波长漂移特征,具有更高的激光器扫描过程波长漂移的识别和计算的可靠性和准确性。

主权项:1.一种应用于扫描吸收光谱的激光波长锁定系统的激光波长锁定方法,其特征在于,所述的扫描吸收光谱的激光波长锁定系统包括:吸收光谱检测子系统以及识别与反馈控制子系统;所述的识别与反馈控制子系统包括扫描信号发生电路、交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路;所述的吸收光谱检测子系统包括电流控制电路、温度控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器;所述的扫描信号发生电路用于产生半导体激光器输出波长扫描的电流信号,所述的温度控制电路与半导体激光器连接,所述的交流耦合信号放大电路、低通滤波电路、微分电路、主控MCU、PWM波控制电路、偏置电流发生电路、扫描信号发生电路、电流控制电路、半导体激光器、准直发射镜头、光电探测器的输入、输出端首尾依次连接形成一个闭环反馈系统;所述的吸收光谱检测子系统输出的检测扫描光谱信号分为两路,一路用于反演目标气体的浓度;另一路作为参考信号输入识别与反馈控制子系统,用于激光波长漂移的修正与锁定;包括以下步骤:步骤一,阶跃式激光波长扫描,获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线的信号,具体为:利用环境中普遍存在的两条水汽吸收谱线作为半导体激光器输出波长的基准,采用双阶跃式扫描信号,通过调整双阶跃式扫描信号的幅值,拓展半导体激光器波长扫描范围,在一个扫描周期里同时获得目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线信号;步骤二,光谱信号预处理和数字化采集,获取目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置定位的光谱信号,具体为:1将吸收光谱检测子系统的输出中心波长调谐到目标气体吸收谱线的中心;扫描信号发生电路产生的扫描信号叠加在半导体激光器的驱动电流,使得半导体激光器输出波长围绕中心波长周期性扫描过特定波长范围,设置扫描信号幅值和阶跃幅度,使得半导体激光器输出扫描波长范围覆盖目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线,两条水汽吸收谱线位于目标气体吸收线的两侧;2波长周期性连续扫描的半导体激光器输出光束经过气体检测区域后被光电探测器接收,并被转换为电信号输出,得到检测扫描光谱信号,检测扫描光谱信号包含有两条水汽吸收谱线和目标气体吸收谱线的光谱特征,检测扫描光谱信号分为两路,一路用于反演目标气体的浓度;3另一路作为参考信号输入到所述波长锁定电路的交流耦合信号放大电路进行信号放大,经交流耦合信号放大电路放大后的信号传输给低通滤波电路滤除高频噪声;经高频噪声滤除后的检测扫描光谱信号输入到微分电路,经微分电路后得到与检测扫描光谱信号对应的微分扫描光谱信号,扫描光谱吸收谱线的峰值位置与微分扫描光谱信号的过零点位置对应;步骤三,目标气体吸收谱线和两条水汽吸收谱线位置识别与激光波长偏移量计算,具体为:所述主控MCU预存有两条水汽吸收谱线的峰值对应的过零点参考数据点位置n01、n02,主控MCU对实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置n1、n2进行识别和谱线偏移量计算,并进行激光波长偏移分析和激光偏移量计算,激光波长偏移分析和偏移量计算按以下规则进行:a如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相反,则认为谱线数据点偏移是由噪声导致,半导体激光器输出中心波长没有偏移;b如果两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点位置偏移方向相同,则认为半导体激光器输出中心波长发生偏移,偏移量取为两条吸收线峰值对应过零点数据点位置偏移量的平均;所述计算按以下公式进行:Δn1=n1-n011Δn2=n2-n022Δn=Δn1-Δn223其中,n01、n02分别为预存在主控MCU的两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点参考数据点;n1,n2分别为主控MCU实时采集的微分扫描光谱信号中两条水汽吸收谱线的峰值对应过零点数据点;Δn1、Δn2分别为两条水汽吸收谱线的峰值对应的偏移量;Δn为偏移量补偿值;步骤四,偏置反馈信号产生与激光波长漂移的修正,实现激光波长的动态锁定;具体为:主控MCU根据计算得到的偏移量补偿值Δn,生成PWM波控制字发送给PWM波控制电路,PWM波控制电路根据主控MCU发送的PWM波控制字产生相应占空比的PWM波,PWM波控制电路产生的PWM波传输给偏移电流发生电路,偏移电流发生电路根据PWM波的占空比产生一个与偏移量相对应的直流电流,偏移电流发生电路产生的直流电流传输给扫描信号发生电路,并叠加在扫描信号上,使扫描信号发生一个直流偏移,叠加了直流偏移的扫描信号传输给半导体激光器电流控制器,用以调整半导体激光器输出中心波长,使得半导体激光器输出中心波长得到实时修正,实现检测过程半导体激光器扫描输出的中心波长锁定。

全文数据:

权利要求:

百度查询: 中国科学院合肥物质科学研究院 一种扫描吸收光谱的激光波长锁定系统与方法

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