基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光痕量氣體檢測領域，主要是一種基于偏振旋轉的頻率調制光譜中 殘余幅度抑制裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 頻率調制光譜（frequen巧modulationspectroscopy,簡稱FM巧技術是一種高靈 敏度的激光光譜技術，常用于痕量氣體檢測領域，相比于直接吸收光譜10^3量級的探測靈 敏度，FMS技術可W在相同條件下將靈敏度提高到1(T6量級。但在實際應用中，FMS的探測 靈敏度卻會由于調制解調過程中產生的殘余幅度調制（resi化alampl;Uudemo化lation， 簡稱RAM)的出現不能達到理論極限值。在理論方面，由于調制而產生的載頻兩邊的邊帶不 是完全等幅反相就會在頻率調制過程中產生RAM。然而，實際中產生殘余幅度調制的原因有 很多如，光散射、沿著光傳輸方向上在平行表面上產生的干設效應（etalon效應）、射頻源 的功率起伏、激光的頻率漂移等。隨著波導型電光調制器（electro-opticalmo化lator， 簡稱EOM)的普及，反射、散射、功率起伏等原因對FM信號的影響變得微不足道，頻率調制元 件E0M的雙折射效應成為產生RAM的最主要原因。常用的頻率調制晶體有磯酸鐘（KD巧，磯 酸氧鐵鐘化TP)，魄酸裡（LiNb〇3)，粗酸裡（LiTa〇3)等雙折射晶體。當輸入到E0M光的偏振 方向與E0M的光軸未準直時，由于E0M是雙折射晶體，會造成兩個特征軸方向皆有光傳輸， 從E0M輸出的調制光就會產生兩個調制幅度及相位不同的振幅分量進行合成，該樣使得色 散相位探測信號存在一個直流偏置W及線型扭曲，即產生RAM。一般來說，實驗初期線偏光 都是準確與E0M光軸準直的，但由于溫度變化引起的保偏光纖中線偏光方向的旋轉、魄酸 裡晶體中雙折射系數的變化都會使準直偏移，RAM就開始在FMS中出現，繼而降低探測靈敏 度。
[000引人們對抑制RAM對FMS的影響提出了很多實驗方法。最初人們通過仔細地、周期 性地調整相關光學元件的參數來抑制RAM,但是該種主動調整的辦法在弱信號條件下就不 再實用也很不方便。Levenson等人使用雙調制的方法來抑制RAM,但該種方法使得探測信 號成為脈沖信號，對于氣體檢測該種需要長時間監(jiān)視FM信號的應用是不適用的。1985年 N.C.Wong和J.L.化11將無氣體吸收時的頻率調制信號作為誤差信號反饋到電光調制器 上，利用晶體e軸折射率與加載到E0M上偏置電壓的依賴關系，補償E0M雙折射產生的相位 差來抑制RAM信號，該種方法成為之后RAM抑制的最基本方法。近年來，Foltynowicz等使 用了一種在0軸方向不對光進行調制的新型光纖電光調制器，該樣即使線偏振角度與E0M 光軸未準直，也不會產生雙調制的現象，因此不會產生RAM。山西大學采用H-C檢偏裝置檢 ^UEOM輸出光偏振態(tài)的變化，從輸出光的線偏振態(tài)判別是否產生了雙調制，將H-C誤差信號 反饋到電光調制器中，補償了雙折射引起的相位差從而抑制RAM。
[0004] 但是現有的技術方案多是將調制信號加載到電光調制器巧0M)上，使得用于痕 量、氣體探測時E0M內存在雙調制導致射頻信號保真度降低的技術問題，因此非常需要一 種能夠有效避免E0M產生雙調制W使射頻信號保真度高的裝置及方法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明為解決現有技術在對頻率調制光譜的殘余幅度調制進行抑制時，多是將調 制信號加載到電光調制器巧OM)上，使得用于痕量、氣體探測時EOM內存在雙調制導致射頻 信號保真度降低的技術問題，提供一種基于偏振旋轉器的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝 置及方法。
[0006] 本發(fā)明所述的基于偏振旋轉器的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置是采用W下 技術方案實現的；一種基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置，包括DFB激光 器、位于DFB激光器出射光路上的起偏器，起偏器的出射端通過光纖連接有偏振旋轉器，偏 振旋轉器的出射端通過光纖連接有電光調制器；電光調制器的出射端設有一個分光鏡，分 光鏡的反射光路上順次設有四分之波片和偏振分束棱鏡，偏振分束棱鏡的反射光路上設有 第一光電探測器，透射光路上設有第二光電探測器，第一、第二光電探測器均為低頻響應 光電探測器；兩個光電探測器相同且共同連接有減法器；減法器的信號輸出端順次連接有 PID和高壓放大器，高壓放大器的信號輸出端與偏振旋轉器的電壓控制端口相連接。
[0007] 本發(fā)明所述的基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制方法是采用W下技 術方案實現的：一種基于偏振旋轉器的頻率調制光譜中殘余幅度抑制方法，DFB激光器出 射的激光經過起偏器后禪合到偏振旋轉器的入射端光纖中，并經由偏振旋轉器的出射端光 纖入射至電光調制器的入射端光纖中；從電光調制器出射端光纖出射的激光由分光鏡分為 兩束，其中反射光通過四分之波片和偏振分束棱鏡后，被分為兩束偏振方向相互垂直的線 偏振光，并分別被第一、第二光電探測器探測，兩個光電探測器將探測到的信號轉換成相應 的電信號，兩路電信號由減法器相減得到H-C誤差信號；H-C誤差信號通過PID和高壓放大 器后反饋給偏振旋光器，通過PID對H-C誤差信號做放大和積分，由偏振旋光器實現電光調 制器中的入射光偏振方向與電光調制器中晶體本身的e軸重合，從而抑制殘余幅度調制。 [000引與現有的實驗方法相比，本發(fā)明通過閉環(huán)反饋補償偏振方向和電光晶體e軸之間 由于環(huán)境原因產生的夾角是一種全新的抑制電光調制器產生的RAM的方案。該方案通過反 饋控制使入射光的偏振角度時刻與EOM的e軸重合，使EOM內不產生雙調制，使得RAM無法 產生。同時，反饋信號無需通過偏壓器加載到EOM上，避免了反饋信號對加載與EOM上射頻 信號的干擾。
[0009] W下是關于本發(fā)明的理論分析。
[0010] 一束線偏激光通過偏振旋轉器入射至電光調制晶體時，其偏振方向與xOy坐標系 X軸的夾角為0，為了簡化計算，令電光晶體的e軸與X軸重合，0軸與y軸重合。入射光 場&。分解在X軸和y軸上為；
[0011] ￡化=E inCos日exp (-i ?〇t)巧化sin日exp (-i ?〇t)
[0012] = Exexp(-i ?〇t)+Eyexp(-i ?〇t) (1)
[001引其中為入射光的角頻率。給EOM施加角頻率為《m的調制電場則EOM透射光 場Et成為：
[0014] Et= E x6xp (_i ?〇t) exp [_i (e+ 5 eSin ?mt)]
[0015]巧yexp(-i ?〇t)exp[-i (4。+50sin?mt)] (2)
[0016] 其中<K，。為光場在晶體e軸和o軸上產生的相位延遲，5。，。為調制信號產生的相 位延遲。
[0017] 分光鏡的透射光路一般用于穿過待測樣品氣體，穿過樣品氣體的激光被第=光電 探測器接收并進行分析。沒有待測樣品氣體時，第=光電探測器探測到的光強信號為：
【主權項】
1. 一種基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置，其特征在于，包括DFB激 光器（1 )、位于DFB激光器（1)出射光路上的起偏器（2 )，起偏器（2 )的出射端通過光纖連接 有偏振旋轉器（3)，偏振旋轉器（3)的出射端通過光纖連接有電光調制器（4);電光調制器 (4)的出射端設有一個分光鏡（5)，分光鏡（5)的反射光路上順次設有四分之波片（6)和偏 振分束棱鏡（7)，偏振分束棱鏡（7)的反射光路上設有第一光電探測器（9)，透射光路上設 有第二光電探測器（10)，第一、第二光電探測器均為低頻響應光電探測器；兩個光電探測 器相同且共同連接有減法器（11);減法器（11)的信號輸出端順次連接有PID (12)和高壓 放大器（13)，高壓放大器（13)的信號輸出端與偏振旋轉器（3)的電壓控制端口相連接。
2. -種采用如權利要求1所述基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置對 頻率調制光譜中的殘余幅度進行抑制的方法，其特征在于，DFB激光器（1)出射的激光經過 起偏器（2)后耦合到偏振旋轉器（3)的入射端光纖中，并經由偏振旋轉器（3)的出射端光纖 入射至電光調制器（4)的入射端光纖中；從電光調制器（4)出射端光纖出射的激光由分光 鏡（5)分為兩束，其中反射光通過四分之波片（6)和偏振分束棱鏡（7)后，被分為兩束偏振 方向相互垂直的線偏振光，并分別被第一、第二光電探測器探測，兩個光電探測器將探測到 的信號轉換成相應的電信號，兩路電信號由減法器（11)相減得到H-C誤差信號；H-C誤差信 號通過PID (12)和高壓放大器（13)后反饋給偏振旋轉器（3)，通過PID對H-C誤差信號做 放大和積分，由偏振旋轉器（3)實現電光調制器（4)中的入射光偏振方向與電光調制器（4) 中晶體本身的e軸重合，從而抑制殘余幅度調制。
3. -種痕量氣體探測裝置，包括如權利要求1所述的基于偏振旋轉的頻率調制光譜 中殘余幅度抑制裝置；其特征在于，還包括氣體檢測系統(tǒng)，所述氣體檢測系統(tǒng)包括順次位于 分光鏡（5)的透射光路上的待測氣體樣品池（8)和第三光電探測器（14)，第三光電探測器 (14)的信號輸出端連接有功率放大器（15);所述氣體檢測系統(tǒng)還包括一個用于產生正弦 信號的射頻源（16)，射頻源（16)的一個信號輸出端與電光調制器（4)的電壓調制端口相連 接，另一個信號輸出端順次連接有移相器（17)、混頻器（18)、低通濾波器（19)以及計算機 (20);減法器（11)的信號輸出端也與計算機（20)相連接；所述功率放大器（15)的信號輸 出端與混頻器（18)信號輸入端相連接。
4. 如權利要求3所述的痕量氣體探測裝置，其特征在于，所述第三光電探測器（14)采 用高速探測器。
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光痕量氣體檢測領域，主要是一種基于偏振旋轉的頻率調制光譜中殘余幅度抑制裝置及方法。本發(fā)明解決了現有技術在對頻率調制光譜的殘余幅度調制進行抑制時，多是將調制信號加載到電光調制器（EOM）上，使得用于痕量氣體探測時EOM內存在雙調制導致射頻信號保真度降低的技術問題，提出了一種頻率調制光譜中殘余幅度調制抑制的新方案，可用于痕量氣體檢測，具體是使用偏振旋光器作為反饋控制器件，響應帶寬為500kHz，可以快速補償偏振角度的變化；同時通過偏振控制器反饋控制EOM入射光偏振方向與電光調制晶體e軸的夾角，對EOM無施加額外信號，提高了射頻信號的保真度；對系統(tǒng)的輸入輸出光的偏振態(tài)檢測與反饋降低了整套裝置的復雜度。
【IPC分類】G01N21-39
【公開號】CN104749136
【申請?zhí)枴緾N201510197508
【發(fā)明人】譚巍, 馬維光, 邱曉東
【申請人】山西大學
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月22日