基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光痕量氣體檢測領(lǐng)域，主要是一種基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)制光譜中 殘余幅度抑制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率調(diào)制光譜（frequen巧modulationspectroscopy,簡稱FM巧技術(shù)是一種高靈 敏度的激光光譜技術(shù)，常用于痕量氣體檢測領(lǐng)域，相比于直接吸收光譜10^3量級的探測靈 敏度，F(xiàn)MS技術(shù)可W在相同條件下將靈敏度提高到1(T6量級。但在實際應(yīng)用中，F(xiàn)MS的探測 靈敏度卻會由于調(diào)制解調(diào)過程中產(chǎn)生的殘余幅度調(diào)制（resi化alampl;Uudemo化lation， 簡稱RAM)的出現(xiàn)不能達到理論極限值。在理論方面，由于調(diào)制而產(chǎn)生的載頻兩邊的邊帶不 是完全等幅反相就會在頻率調(diào)制過程中產(chǎn)生RAM。然而，實際中產(chǎn)生殘余幅度調(diào)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(chǎn)生的干設(shè)效應(yīng)（etalon效應(yīng)）、射頻源 的功率起伏、激光的頻率漂移等。隨著波導(dǎo)型電光調(diào)制器（electro-opticalmo化lator， 簡稱EOM)的普及，反射、散射、功率起伏等原因?qū)M信號的影響變得微不足道，頻率調(diào)制元 件E0M的雙折射效應(yīng)成為產(chǎn)生RAM的最主要原因。常用的頻率調(diào)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(diào)制光就會產(chǎn)生兩個調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)、魄酸 裡晶體中雙折射系數(shù)的變化都會使準直偏移，RAM就開始在FMS中出現(xiàn)，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(diào)整相關(guān)光學(xué)元件的參數(shù)來抑制RAM,但是該種主動調(diào)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(diào)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(yīng)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(diào)制信號作為誤差信號反饋到電光調(diào)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(guān)系，補償E0M雙折射產(chǎn)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，F(xiàn)oltynowicz等使 用了一種在0軸方向不對光進行調(diào)制的新型光纖電光調(diào)制器，該樣即使線偏振角度與E0M 光軸未準直，也不會產(chǎn)生雙調(diào)制的現(xiàn)象，因此不會產(chǎn)生RAM。山西大學(xué)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(chǎn)生了雙調(diào)制，將H-C誤差信號 反饋到電光調(diào)制器中，補償了雙折射引起的相位差從而抑制RAM。
[0004] 但是現(xiàn)有的技術(shù)方案多是將調(diào)制信號加載到電光調(diào)制器巧0M)上，使得用于痕 量、氣體探測時E0M內(nèi)存在雙調(diào)制導(dǎo)致射頻信號保真度降低的技術(shù)問題，因此非常需要一 種能夠有效避免E0M產(chǎn)生雙調(diào)制W使射頻信號保真度高的裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)在對頻率調(diào)制光譜的殘余幅度調(diào)制進行抑制時，多是將調(diào) 制信號加載到電光調(diào)制器巧OM)上，使得用于痕量、氣體探測時EOM內(nèi)存在雙調(diào)制導(dǎo)致射頻 信號保真度降低的技術(shù)問題，提供一種基于偏振旋轉(zhuǎn)器的頻率調(diào)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(zhuǎn)器的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制裝置是采用W下 技術(shù)方案實現(xiàn)的；一種基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)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(zhuǎn)器，偏 振旋轉(zhuǎn)器的出射端通過光纖連接有電光調(diào)制器；電光調(diào)制器的出射端設(shè)有一個分光鏡，分 光鏡的反射光路上順次設(shè)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(shè)有 第一光電探測器，透射光路上設(shè)有第二光電探測器，第一、第二光電探測器均為低頻響應(yīng) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制方法是采用W下技 術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于偏振旋轉(zhuǎn)器的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制方法，DFB激光器出 射的激光經(jīng)過起偏器后禪合到偏振旋轉(zhuǎn)器的入射端光纖中，并經(jīng)由偏振旋轉(zhuǎn)器的出射端光 纖入射至電光調(diào)制器的入射端光纖中；從電光調(diào)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(zhuǎn)換成相應(yīng) 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(xiàn)電光調(diào) 制器中的入射光偏振方向與電光調(diào)制器中晶體本身的e軸重合，從而抑制殘余幅度調(diào)制。 [000引與現(xiàn)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(chǎn)生的夾角是一種全新的抑制電光調(diào)制器產(chǎn)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(nèi)不產(chǎn)生雙調(diào)制，使得RAM無法 產(chǎn)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(guān)于本發(fā)明的理論分析。
[0010] 一束線偏激光通過偏振旋轉(zhuǎn)器入射至電光調(diào)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(diào)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(chǎn)生的相位延遲，5。，。為調(diào)制信號產(chǎn)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(quán)項】
1. 一種基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)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(zhuǎn)器（3)，偏振旋轉(zhuǎn)器（3)的出射端通過光纖連接有電光調(diào)制器（4);電光調(diào)制器 (4)的出射端設(shè)有一個分光鏡（5)，分光鏡（5)的反射光路上順次設(shè)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(shè)有第一光電探測器（9)，透射光路上設(shè) 有第二光電探測器（10)，第一、第二光電探測器均為低頻響應(yīng)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(zhuǎn)器（3)的電壓控制端口相連接。
2. -種采用如權(quán)利要求1所述基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制裝置對 頻率調(diào)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(jīng)過 起偏器（2)后耦合到偏振旋轉(zhuǎn)器（3)的入射端光纖中，并經(jīng)由偏振旋轉(zhuǎn)器（3)的出射端光纖 入射至電光調(diào)制器（4)的入射端光纖中；從電光調(diào)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(zhuǎn)器（3)，通過PID對H-C誤差信號做 放大和積分，由偏振旋轉(zhuǎn)器（3)實現(xiàn)電光調(diào)制器（4)中的入射光偏振方向與電光調(diào)制器（4) 中晶體本身的e軸重合，從而抑制殘余幅度調(diào)制。
3. -種痕量氣體探測裝置，包括如權(quán)利要求1所述的基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)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(chǎn)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(diào)制器（4)的電壓調(diào)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(quán)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(lǐng)域，主要是一種基于偏振旋轉(zhuǎn)的頻率調(diào)制光譜中殘余幅度抑制裝置及方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)在對頻率調(diào)制光譜的殘余幅度調(diào)制進行抑制時，多是將調(diào)制信號加載到電光調(diào)制器（EOM）上，使得用于痕量氣體探測時EOM內(nèi)存在雙調(diào)制導(dǎo)致射頻信號保真度降低的技術(shù)問題，提出了一種頻率調(diào)制光譜中殘余幅度調(diào)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(yīng)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(diào)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(fù)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(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月22日